MATERIAL DEL CAPÍTULO 4 (SEGUNDA PARTE)

Transcripción

1 MATERIAL DEL CAPÍTULO 4 (SEGUNDA PARTE) Principal Masters, G.M. Renewable and efficient electric power systems Capítulo 8, Photovoltaic materials and electrical characteristics, pp De consulta Häberlin, H. Photovoltaics: System design and practice. 1

2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Se reconocen dos tipos de sistemas Aislados Proveen energía a una instalación que no está conectada a una red eléctrica. Cuando se necesita un suministro estable (independiente de la irradiancia recibida y de la temperatura), el sistema debe incluir almacenamiento. En algunas aplicaciones particulares, e.g. bombeo de agua, no se requiere un suministro estable todo el tiempo, y se puede conectar en forma directa (bajo costo). Se bombea cuando la energía es suficiente y se almacena agua. Conectados a la red No es necesario que cuenten con almacenamiento ya que el excedente de energía generada se inyecta a la red, y el déficit se toma de ésta. Prescindir del almacenamiento permite reducir costos. Si incluye almacenamiento, incrementa el costo pero agrega versatilidad al sistema. 2

3 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS En cada sistema, el punto de operación queda determinado por las características eléctricas combinadas del arreglo de paneles y de la carga. Es afectado por la irradiancia y la temperatura. Normalmente no es posible sincronizar la generación con la demanda y es necesario adaptarlas (incluyendo dispositivos adicionales) para que funcionen de la manera deseada. 3

4 Esquema general Opcional 4

5 Componentes principales Arreglo de paneles Controlador de carga Banco de baterías Inversor Generador (opcional) Tableros y protecciones 5

6 Arreglo de paneles Se configuran para tener una tensión de salida compatible con el banco de baterías. Normalmente 12, 24 o 48V. La tensión de operación determina la cantidad de paneles que se deben conectar en serie (tamaño del string o rama). La cantidad de strings en paralelo queda determinada por la corriente a suministrar a las baterías. 6

7 Banco de baterías Además de almacenamiento, pueden proveen los picos de corriente que no entregan los paneles. Fijan la tensión de operación en CC. Las más utilizadas en fotovoltaica son las de plomo-ácido por su buena relación costo/prestación. Suelen utilizarse, en menor medida, níquel-cadmio y comienzan a utilizarse las de litio. Rolls Plomo ácido Tesla Powerwall 13.5 kwh 120 kg 115 x 75.5 x 15.5 cm 7

8 Baterías de plomo-ácido Introducidas por Gastón Planté en Tecnología madura. Estructura básica Electrodo +: dióxido de plomo (PbO2) Electrodo -: plomo (Pb) Electrolito: ácido sulfúrico diluido en agua (H2SO4) Reacción electroquímica completa descarga PbO 2+Pb+2H 2SO4 2PbSO carga 4 2 H2O Sulfato de plomo Durante la descarga Se sulfatan los electrodos (aumenta su resistencia) y disminuye la concentración del ácido (medida del estado de carga). Durante la carga Se produce hidrógeno ( gaseo ) por electrólisis del agua, riesgo de explosión y pérdida de agua (se evita en las VRL). El fenómeno comienza cuando la batería está alcanzando la carga completa. 8

9 Reacciones electroquímicas detalladas Cátodo (-) Ánodo (+) Electrolito Pb+SO 4 PbSO 4+2e 2- descarga descarga PbO 2+SO4 4H +2e PbSO carga 4+2H2O 2H SO carga descarga carga 4H +2SO

10 Componentes Electrodos Separador Electrolito Terminales 10

11 Tipo de placas Placas planas empastadas (Camille Fauré, 1881) Formadas por una rejilla plana sobre la que se deposita el material activo de los electrodos. Conducen los electrones hacia/desde los terminales. Se suelen construir de aleaciones de plomo-antimonio (mayor pérdida de agua), plomo-calcio, etc. para dar rigidez y mejorar las propiedades (corrosión, desempeño, etc.) El espesor de la placa está dado por las características que se desean (altas corrientes, velocidad rápida, etc.) Placas tubulares El material activo se encuentra dentro de un tubo. Mejor desempeño y vida útil. Más caras. 11

12 Tipo de electrolito Líquido (inundadas o VLA) Relativamente baratas y robustas, diseño maduro. Fáciles de monitorear (medición de la densidad del electrolito). En general necesitan mantenimiento (reposición de H2O) y ventilar el recinto (presencia de H), peligro de corrosión. Selladas (VRLA) No hay forma ni necesidad de reemplazar el electrolito o H2O. Por el diseño del material activo de los electrodos se favorece la recombinación de H y O en H2O. Contienen una cantidad limitada de electrolito inmóvil De gel: se agrega sílice al electrolito formando un gel. OPzS: tubulares inundadas OPzV: tubulares selladas De electrolito absorbido (AGM): utiliza un separador de fibra de vidrio poroso que absorbe el electrolito. 12

13 Aplicaciones Encendido Arranque de vehículos, altas corrientes en tiempos reducidos. Económicas, tecnología madura, densidad de energía baja, no aptas para ciclados profundos, reducida vida útil. Descarga profunda Ciclados diarios. Usos en tracción, energía solar, etc. Larga vida útil, alta densidad de energía. Estacionarias Funcionan a flote la mayor parte del tiempo y permiten ser levemente sobrecargadas. Usos en comunicaciones, alarmas, iluminación, etc. No se busca densidad de energía. 13

14 Especificaciones importantes Capacidad nominal (C en Ah) Tensión nominal por celda (Vpc) o del módulo Tensión de corte mínima (operación/descarga) Tensión de corte máxima (carga) Profundidad de descarga (DOD) Ciclo de vida Tensión de carga y de flote, y método recomendado. Tiempo de autodescarga Variación de la capacidad con la temperatura. 14

15 La capacidad disponible depende de la corriente de descarga La capacidad nominal C [Ah] se da para una corriente de descarga específica (C/10, C/20 o C/100 [A]). Mayores corrientes reducen la capacidad disponible. Descarga a ~C/20 [A] (nominal) Descarga a C [A] 15 Tensión de corte

16 Formas alternativas de especificar la capacidad 16

17 La capacidad disponible depende de la tasa de descarga y de la temperatura de operación. Se reduce al disminuir la temperatura. Para baterías C 20 17

18 Para aplicaciones fotovoltaicas normalmente se utilizan descargas profundas hasta 80% DOD. La máxima profundidad de descarga permitida depende de la temperatura ambiente (para evitar el congelamiento del electrolito) 18

19 Cantidad de ciclos (vida útil) vs. profundidad de descarga 19

20 Tensión de circuito abierto vs. estado de carga (SOC) La tensión de circuito abierto es función de la concentración del electrolito y de la temperatura La tensión nominal de celda es gemneralmente 2V ( ) Tensión en reposo 20

21 Una carga inapropiada reduce la vida útil de la batería. La tasa de carga debe ser tal que no produzca gaseo, sobrecarga o altas temperaturas. La carga a corriente constante es muy peligrosa si no se limita cuando se acerca a la carga completa. La tensión crece excesivamente, se sobrecarga y se produce gaseo. Se puede hacer a CC si se monitorea la tensión (inferior a 2.4 Vpc) 21

22 Método de carga seguro Tensión constante con limitación de corriente Por ejemplo: 2.3 Vpc y C/5 A (sugerido por el fabricante) 22

23 Método de carga seguro IUoU (denominación DIN) Corriente constante (I): normalmente C/10 (bulk) Tensión constante (Uo): 2.4 Vpc por un tiempo fijo (absorción) Tensión constante (U): 2.3 Vpc (flote) 23

24 Carga de refresco Cuando la batería ha estado sin utilizarse por mucho tiempo, se aplica una carga a tensión constante (2.4 Vpc) con limitación de corriente durante un tiempo determinado. Ejemplo Microcell Menos de 6 meses: 20 hs Hasta 12 meses: 24 hs Para extender la vida útil conviene cargar al máximo las baterías en períodos de tiempo regulares (se evita que se fije el sulfato en los electrodos y que se cristalice el electrolito). Podría considerarse la utilización de un generador de back-up para realizar el refresco. 24

25 Eficiencia de Coulomb o Ah El dimensionamiento (capacidad), la carga/descarga, etc., se hace en términos de corriente. Por la dificultad para determinar la tensión de reposo de la batería durante la carga y descarga, es conveniente definir la eficiencia también en términos de corriente. Se define como la relación entre la carga disponible respecto de la carga introducida durante el proceso de carga Q E Ah Q Para una batería típica, la eficiencia de Coulomb ronda el 90 95%. La eficiencia energética (Wh) es un tanto inferior (la tensión de carga es mayor a la tensión en bornes). Los valores típicos rondan el 80%. L 25

26 Configuración del banco Serie Mayor tensión menor corriente. Para aumentar capacidad se necesita incluir una rama entera. Paralelo Menor tensión, mayor corriente (fusibles, cables y protecciones). Fáciles de escalar. 26

27 Conexionado de las baterías en el banco Utilizar un único modelo de baterías y de ser posible del mismo lote. El cableado debe ser de la misma longitud (el más corto posible) para todas las ramas. 27

28 Controlador o regulador de carga Se encargan de controlar la carga y descarga de las baterías. Normalmente mide la tensión en bornes de las baterías y las protege de sobrecargas. También las protege de descargas más allá de la mínima tensión de corte. Suelen incluir protección para evitar que con baja tensión en paneles, las baterías se descarguen a través de éstos (diodo). Dependiendo de la sofisticación (costo) del regulador puede incluir funciones adicionales: manejo de un generador de resguardo para cargar o refrescar las baterías en caso de baja radiación (baja corriente), monitoreo de la temperatura, etc. Existen diferentes topologías Serie Paralelo o shunt Seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) 28

29 Controlador o regulador de carga (cont.) Regulador serie Limita la corriente (conmutando la llave S1) para que la tensión de batería no supere la tensión de corte. Regulador paralelo o shunt Limita la corriente drenándola a través del controlador (llave S1). Cortocircuita el arreglo de paneles. 29

30 Controlador o regulador de carga (cont.) Regulador con seguimiento del punto de máxima potencia. A diferencia de los reguladores serie y paralelo que operan el arreglo de paneles en la tensión de batería, este regulador lo opera en el punto de máxima potencia (puede capturar un 20% más de potencia). Necesita adaptar la tensión de salida para que sea compatible con el banco de baterías para lo cual utiliza un convertidor de tensión en corriente continua y algoritmos de seguimiento del MPP. Se justifica donde el aumento en la potencia capturada de los paneles compensa el costo. 30

31 Controlador o regulador de carga (cont.) Sin MPPT Ejemplo: Con MPPT Ejemplo: 31