Energía Solar en los Andes. Fotovoltaica Manual de Planificación, Instalación y Mantenimiento

Transcripción

1 Energía Solar en los Andes 4 Fotovoltaica Manual de Planificación, Instalación y Mantenimiento

2 Esta publicación goza de los derechos de autor bajo protocolo 2 de Convención Universal de los Derechos de Autor. Las solicitudes de autorización para la reproducción, traducción o adaptación de parte o todo su contenido deberán ser dirigidas al Programas de Empleo y Juventud PEJ PA, La institución acogerá con gusto sus solicitudes. No obstante, pequeños extractos pueden ser reproducidos sin autorización, con la condición que se indique la fuente. Primera Edición Agosto del 2009 Programas de Empleo y Juventud PEJ PA Proyecto de Energía Solar Sto. Tómas Jr. Dos de Mayo N 212 Sicuani Cusco Perú Telefax : pejs@terra.com.pe Eco. Henry Mar Tapia Ing. Ronald Huallpayunca Ing. Simon Rüegsegger : Director ejecutivo PEJ PA : Coordinador del proyecto Energía Solar : Autor sr@ru-energie.ch Hecho en Perú Printed en Perú Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 2

3 PRESENTACIÓN La Empleo y Juventud PEJ de la Prelatura de Sicuani, como institución de soporte del Proyecto Energía Solar en los Andes que viene formando técnicos solares y asumiendo formación básico en instituciones educativos en Chumbivilcas, asume su compromiso de educar y difundir la propuesta de usar energías limpias y el cuidado del medioambiente dese el año 2006 Es para el Proyecto *Energía Solar en los Andes motivo de alegría el poder publicar el manual Casas Solares, dentro el marco del proyecto de Energía Solar en los Andes, que tiene como institución financiera la KLJB de Alemania y el apoyo de un cooperante de la Misión Belén Immensee de Suiza, los cuales hacen posible realizar la formación de técnicos en Energía Solar para la difusión y popularización de la Energía Solar y del cuidado del medioambiente. La Energía Solar y las Energías renovables son una propuesta que hace al frente del modelo de energía convencional que por su precio no está al alcance de los más pobres y más necesitados una alternativa de desarrollo y satisfacción de necesidades básicos. Queremos asumir el reto, de que la población de base puede aprovecharse de las energías renovables y así hacer su aporte al cuidado del medioambiente. Las energías renovables son una propuesta alternativa para hacer llegar energía a los pobladores más lejanos de centros poblados. Esta publicación es parte de la seria Energía Solar en los Andes Casas Solares N 1 Termas Solares y Gasfitería N 2 Cocinas y Hornos Solares N 3 Paneles Fotovoltaico y Electricidad N 4 Secadores Solares N 5 Bombeo de Agua N 6 Fitotoldos N 7 Fogones mejorados N 8 Biodegistores N 9 El Autor Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 3

4 ANTECEDENTES: El PEJ es un equipo social de la Prelatura de Sicuani cuyo enfoque es el Desarrollo Humano Integra y economía solidaria en la que el centro de es la persona como ser humano, y una de sus actividades esta orientada al bienestar familiar en cuanto a salud, nutrición y viviendas, implementando para ellas estrategias necesarias. En ese sentido, es prioridad para el PEJ, motivar y generar cambios en los hábitos de consumo de alimentos, condiciones de vivienda, el aprovechamiento adecuado de los recursos disponibles en la zona, en forma coordinada y organizada y que involucren a la familia y comunidad, ya que el progreso de las próximas generaciones es un aspecto clave para impulsar a nuestra comunidad y mejorar la calidad de vida. En la provincia de Chumbivilcas el 89.44% son viviendas que se encuentran en estado precario, el 33.5% solo tiene una habitación, que es compartido como cocina, despensa, comedor y dormitorio, se tiene el 34.50% de hogares en estado de hacinamiento, las viviendas son de construcción de adobe en un 65.0 % y piedra con barro en un 29.1%, con techos de paja el 89.2% y con techo de calamina el 8.9%, el piso es mayormente de tierra (97.4%). Fuente Censo nacional de construcción y vivienda INEI Las enfermedades frecuentes en las familias que usan leña como combustible y sin ventilación del humo al interior de su cocina, son enfermedades respiratorias crónicas en adultos y niños y problemas graves con el tiempo en la vista. En la zona es frecuente que se tenga casos de infecciones respiratorias agudas en la estación de invierno por el descenso de la temperatura. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 4

5 Índice 1 Introducción Qué es la energía solar fotovoltaica? Es necesario el sol? Corriente continua Componentes de un sistema fotovoltaico Sistemas 10 2 El Sol El recurso Solar Radiación directa, difusa y reflejada Energía del sol el camino del sol 14 3 Electricidad Potencia eléctrica La ley de Ohmio La Capacidad Trabajo eléctrico Circuito eléctrico El circuito paralelo El circuito en serie 20 4 El Panel Solar Tipos de Células Solares Silicio mono cristalino Silicio poli cristalino Célula de capa fina Células solares de de silicio amorfo Cómo funciona? Selección del panel solar 26 5 Batería Batería de caro Batería solar Batería de Plomo-Gel Pilas recargables Nicle-Cadmio Pilas recargables Nicle-metalhibrida 31 6 Regulador 31 7 Cables 31 8 Fusibles 34 9 Inversores Cambiador en cuadrado Cambiador en trapecio Cambiador de seno Planificación de Sistemas Consumo La Batería Panel Regulador Fusibles Cables 37 Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 5

6 11 Montaje Riesgos de la corriente continua Riesgo para el instalador Qué ocasiona los riesgos? Medidas de Seguridad Primeros auxilios en caso de accidente eléctrico Medidas en caso de accidente eléctrico Montaje de los Módulos Montaje Regulador y Batería Montaje Cables y Focos Poner en marcha control de funcionamiento Mantenimiento Anexo Tablas Bibliografía 47 Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 6

7 1 Introducción 1.1 Qué es la energía solar fotovoltaica? La energía solar fotovoltaica convierte de forma directa los rayos luminosos del sol (o de otra fuente) en electricidad. Parra ello, utiliza módulos fotovoltaicos compuesto de células solares o de fotopilas que realizan esta transformación energética (ver en capitulo 4). Es energía es radicalmente diferente de la energía solar térmica que, produce calor a partir de los rayos solares infrarrojos y que se aplica para calentar aire o agua. En este caso su utilizan unos colectores o captores solares térmicos, diferentes de los fotovoltaicos. También existe la denominada energía solar termodinámica, cuyo principio de funcionamiento sa basa en una concertación de rayos solares mediante espejos especiales, contenidos en un receptáculo que almacena la energía para restituirlas rápidamente bajo forma mecánica, gracias a una turbina de vapor (por ejemplo). Estos aspectos de la energía solar no son tratados en este manual. A donde nos vamos a dedicar a la generación de electricidad a través de paneles fotovoltaicas. Nota Los colectores o captadores térmicos son los que se utiliza para calentar agua o calefacción de la casa (calentando aire o agua). Sería un despilfarro de energía utilizar la electricidad producida por los modulos fotovoltaicos para el calentamiento de agua. El rendimiento sería muy bajo y además caro. Para calefacción de casa consulta nuestro Manual N 1 Casas Solares Para calentamiento de agua consulta nuestro Manual N 2 Termas Solares Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 7

8 SOL Céluluas solares Modulos fotovoltaicos Colectores o captadores solares para aire o agua ELECTRICIDAD CALOR Energia solar fotovoltaica Energia solar térmica Principales tipos de energía solar. 1.2 Es necesario el sol? La repuesta es no, con matices. Si fuese necesario, muchas instalaciones en países como Alemania, no funcionarían. El termina energía solar es un poco ambiguo. En efecto, cualquier fuente luminosa puede ser convertida en electricidad. Por ello, algunos autores se inclinan por la expresión energía luminosa. Dicho esto, dado que el sol es la fuente de luz mas intensa, la producción energética será siempre mayor bajo su exposición directa. El flujo luminoso es mucho menor en el interior de un edificio, o bajo luz artificial. Esquemáticamente, se le atribuye la cifre 1000 al grado máximo de insolación, típico del llamado sol radiante. Si se trata de un cielo nublado, la cifra es 100 a 500. Y si se trata de un ambiente interior, la cifra se sitúa entre 1 y 10. Teniendo los cifras anteriores en cuenta, vemos que se puede producir hasta 1000 veces más energía fotovoltaica en una localización exterior que en una interior. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 8

9 1.3 Corriente continua Las células solares y los módulos fotovoltaicos producen electricidad en forma de corriente continua (del inglés DC: Direct Current), como las baterías. No producen corriente alterna (del inglés AC: Alternative Current). En Perú, en nuestros hogares solemos tener corriente alterna AC de Voltios, a una frecuencia de 60 Hertzio Para alimentar aparatos que funcionan con corriente alterna, a partir de energía fotovoltaica, es preciso usar equipos DC/AC, que producen una corriente alterna a partir de la corriente continua. Se les suele llamar convertidores de corriente También se les llama inversores Corriente continua Las tensiones habituales de los paneles fotovoltaicos existentes en el mercado son como las de las baterías 812V o 24V, por ejemplo), ya que la energía se suele almacenar antes de su utilización Corriente alterna 1.4 Componentes de un sistema fotovoltaico Generalmente, un único módulo fotovoltaico no suele ser suficiente para satisfacer las necesidades de una determinada aplicación. Al igual que la intensidad luminosa, la energía que suministra un módulo también es muy variable, y siempre de forma de corriente continua, por lo que suele seré necesario su almacenamiento y su transformación. Se denomina sistema fotovoltaico al conjunto de componentes necesarios para conseguir la electricidad necesaria para que funcione una aplicación concreta, de forma fiable. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 9

10 1.5 Sistemas Existe una variedad de sistemas de producción de electricidad atreves el sol. Todas tienen su sentido en su contexto. Sistemas directos sin almacenamiento Son los sistemas más simples ya que la energía fotovoltaica se utiliza directamente de los paneles. Es un sistema interesante para todas las aplicaciones que no necesitan funcionar en los periodos de oscuridad. Es decir, cuando las necesidades de energía coinciden con la presencia de luz. Si hay luz, funciona, si no la hay, se para. Veamos dos ejemplos concretos: Un ventilador es un aparato muy útil en climas cálidos. En este caso tenemos una ventaja evidente: existe concordancia entre la necesidad de energía y el suministro de la misma. Bombeo solar es un sistema que bombea agua de un pozo a un depósito. La Bomba funciona directa con el panel. Por eso la cantidad de agua que se bombea es depende de la radiación del sol. Sistemas autónomos con almacenamiento Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 10

11 Es el sistema más común de los sistemas autónomos. El conjunto funciona normalmente con corriente continua (DC) lo que es preferible ya que es más simple. En un sistema de este tipo, la batería se carga durante el día, y sirve de deposito energético penamente. En la noche se usa la energía almacenada para la iluminación, televisor, radio,... Sistemas autónomos híbridos Es un sistema que combina dos o más fuentes de energía que pueden producir la electricidad necesaria. Sistemas que se puede combinar - Panel fotovoltaico - Molino de viento - Micro Hidroeléctrico - Grupo electrógeno Sistemas conectados a la red Son sistemas fotovoltaicos que se conectan a la red de distribución eléctrica de la zona en la que están situados. La gar ventaja de estos sistemas es la ausencia de baterías. No se almacene energía, se inyecta directamente en la red eléctrica local o nacional. La gran desventaja es que ese sistema también se apaga en caso de corte de la red pública. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 11

12 2 El Sol 2.1 El recurso Solar El Sol se originó de la contracción de una gigantesca nube de gas, compuesta esencialmente de hidrógeno, bajo el efecto de las fuerzas de gravedad. Colisiones violentas entre las partículas de hidrógeno liberaron entonces un intenso calor, permitiendo la fusión de los núcleos de hidrógeno y de la energía nuclear asociada. El ritmo actual de esta fusión es de 3.82 millones de toneladas por segundo. Esta fuente llamada renovable- tendrá, pues, un final, pero seguirá siendo abundante durante cinco o seis billones de años. Las fusiones termonucleares liberan energía bajo la forma de ondas o de radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia. Esta energía radiante nace en el corazón del sol a temperaturas estimadas entre 10 y 14 millones de grados Celsius ( C), pero en la superficie solar no llegan a más de 5500 C. Se habla entonces de fotones, o partículas de luz que atraviesan el espacio bajo la forma de energía electromagnética compuesta de radiaciones de diferentes longitudes de onda. Todas estas radiaciones electromagnéticas son emitadas por el sol y parten en todas las direcciones a la velocidad de la luz. A 150 millones de km/h, la tierra intercepta la 0.45 milmillonésima parte de la energía emitida por el sol. Se define por constante solar la intensidad de radiación o de la energía radiante que alcanza las capas superiores de la atmósfera terrestre. Se trata de una potencia por unidad de superficie, cuyo valor es de 1367 W/m2 (watts por metro quadrado) Experimento imagen representativa Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 12

13 Pone un Balón con un diámetro de 13.5cm en una distancia 1.50m de una billa de un diámetro de 0.126cm Eso es el imagen representativa de la relación entre el sol y la tierra Radiación directa, difusa y reflejada La energía solar incidente en una superficie terrestre se manifiesta de tres maneras diferentes: La radiación directa es, como su propio nombre indica, la que proviene directamente del sol. La radiación difusa es aquella recibida de la atmósfera como consecuencia de la dispersión de parte de la radiación del sol en la misma. Esta energía puede suponer aproximadamente un 15% de la radiación global en los días soleados, pero en los días nublados, en los cuales la radiación directa es muy baja, la radiación difusa supone un porcentaje mucho mayor. Por otra parte, las superficies horizontales son las que más radiación difusa reciben, ya que ven toda la semiesfera celeste, mientras que las superficies verticales reciben menos porque solo ven la mitad de la semiesfera celeste. La radiación reflejada es, como su propio nombre indica, aquella reflejada por la superficie terrestre. La cantidad de radiación depende del coeficiente de reflexión de la superficie, también llamado albedo. Por otra parte, las superficies horizontales no reciben ninguna radiación reflejada, porque no ven superficie terrestre, mientras que las superficies verticales son las que más reciben. La radiación global = directa + difusa + reflejada Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 13

14 2.1.2 Energía del sol Gh SDE P SDA SDE P Mes kwh/m2 h/m W/m2 h/d h/d Kw/d Ene , Feb , Mar , Abr Mai Jun Jul Aug Sep Okt , Nov , Dez , Fuente: Meteonorm V 5.0 Gh = radiación global SDE = hora del sol efectivo SDA = hora del sol astronómica P = Energía el camino del sol La posición del sol el medio día Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 14

15 El camino del sol Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 15

16 3 Electricidad La electricidad contiene electrones que son pequeños partículas cargados. Cuales son algo natural. En los nubes se produce electricidad que se exprese en rayos. O en nuestro cuerpo los impulsos de nervios son a base de electricidad de muy baja tensión. Como la electricidad es algo invisible para nosotros nos queda siempre algo sospechoso hasta que nos da un poco de miedo. Por eso vamos a repasar los principios de la electricidad con el ejemplo de un molino de agua. Capacidad *) resisdencia Trabajo **) tension corriente potencia *) = Volumen de la retención **) cantidad de trigo molido 3.1 Potencia eléctrica Con la altura del agua nos podemos imaginar que es la tensión eléctrica. Que lleva la unidad voltios (V). la cantidad de agua que sale en el pie de represa es comparable con la corriente eléctrico cual se mide en amperios (A). El conjunto de corriente y tensión nos da la potencia en vatio (W). Pensando en la molina, si mas alto el nivel de agua con mas presión sale el agua, también importante para la potencia del molino es la cantidad de agua. Esa relación se puede describir en una ecuación matemática. presión de agua x cantidad de agua = Potencia tensión x corriente = Potencia Voltios x Amperios = vatio V x A = W Con esta ecuación también nos salen los siguientes: Voltio = vatio : Amperio y Amperio = Vatio : Voltio Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 16

17 3.2 La ley de Ohmio Si la altura del agua en la represa es muy alta no necesitamos abrir mucho la puerta de salida para que la molina se mueva. Pero si no hay mucha agua tenemos que abrir la puerta más para obtener la misma potencia de la molina. El tamaño que está abierto la puerta se puede comparar con la resistencia eléctrica, con su unidad Ohmio (Ω). Si más pequeño la salida más alto la resistencia. La cantidad de agua (Amperio) depende de la altura de agua (Voltio) y el tamaño del hueco (Ohmio). Eso nos da la siguiente relación: presión de agua : tamaño del hueco = cantidad de agua tensión : resistencia = corriente Voltio : Ohmio = Amperio V : Ω = A Con esta ecuación también nos salen los siguientes: Voltio = Vatio x Ohmio y Ohmio = Voltio : Amperio Esas dos ecuaciones fundamentales de la electricidad podemos recordarnos con el triangulo mágico. Con el dedo tapamos la unidad que deseamos saber y nos queda la ecuación matemática. V Ω x A Voltio = Ohmio x Amperio Ohmio = Voltio : Amperio Amperio = Voltio : Ohmio W V x A Vatio = Voltio x Amperio Voltio = Vatio : Amperio Amperio = Vatio : Voltio Como Voltio y Amperio están en relación con Vatio y Ohmio se da otras ecuaciones matemáticas en combinar las. V = W : A Ω x A A = W : V V : Ω W = V x A Ω x A² V² : Ω Ω = V : A W : A² V² : W Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 17

18 Para practicar vamos a hacer algunos ejemplos de uso diario En un motor eléctrico corren 12 voltios de tensión y 10 amperios de corriente cuál es la potencia del motor? W = V x A = 12V x 10A = 120 Vatios Un panel solar nos brinda sin carga 20 voltios y su tensión es de 2.5 A cuál es su potencia nominal? W = V x A = 20V x 2.5A = 50 Vatios cual es la tensión de un foco de 20 Vatios y 12 Voltios? A = W : V = 20 W : 12 V = 1.66 Amperios Cuál es la residencia de un aparto de soldar eléctrica de 12 Voltios con una potencia de 30 Vatios? Ω = V² : W = 12V x 12V = 144 V², 144V² : 30 W = 4.8 Ohmio 3.3 La Capacidad En nuestro modelo de molina, la cantidad de agua en la represa es la capacidad. Si queremos saber cuánto tiempo podemos usar un artefacto, hasta que la batería está vacía necesitamos a parte de la corriente también el tiempo de uso. En las baterías se indica la capacidad en Amperios horas (Ah), en las pilas se indica su capacidad en mili amperi-horas (mah). Por ejemplo una batería de auto con 56 Ah puede alimentar un artefacto 56 horas con 1 Amperio o 1 hora con 56 Amperio Cuánto tiempo se puede usar un foco de 20 Vatios y 12 Voltios con una batería de 100Ah? A = W. V = 20W : 12V = 1.66 Amperios H = Ah : A = 100Ah : 1.66A = 60h = 60 horas Con un panel de 80Wp que tiene 4 Amperios podemos producir en 10 horas de sol 40 ah de capacidad. Entonces para cargar un batería de 100 Ah necesitamos 2.5 días para cargar la. En verdad un pocito mas por el hecho que una batería tiene una eficiencia de 80% Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 18

19 3.4 Trabajo eléctrico En nuestro ejemplo el trabajo es la cantidad de trigo molido. En la electricidad son kilovatios-horas (kwh). El trabajo electico es la potencia por el tiempo. Si usamos un foco de 20W una hora gastamos 20Wh, si el mismo foco usamos 100 horas se gasta 2000Wh que es igual a 2kWh. Igual podemos calcular el trabajo eléctrico para la batería. La corriente de 100Ah x 12 V = 1200 vatios hora que es 1.2kWh. 3.5 Circuito eléctrico Para armar un sistema fotovoltaico podemos armar las baterías, paneles y consumidores en diferentes maneras. En el peor caso producimos un corte circuito y algo se malogra. O logramos: Un circuito paralelo (al costado) o, Un circuito serie (detrás) Por eso un pocito mas de teoría El circuito paralelo Para aumentar la capacidad de un sistema podemos juntar en paralelo los baterías. En total 12V, 300Ah En paralelo se suma las capacidades la tensión queda igual Es importante en caso de juntar baterías de usar baterías de la misma capacidad y edad. (Mas en el capitulo? ) Los artefactos normalmente se conectan en paralelo a los baterías. Con usuarios en paralelo se suma las potencias y las corrientes. La tención quede en cada lugar igual. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 19

20 5W + 20W + 20W = 45W en total y A A A = A en total. En instalaciones paralelas la residencia en total baja. Con dos focos iguales se parte a la mitad la resistencia en total. Si en nuestro ejemplo tendremos solo los dos focos la resistencia en total será de 7.6 Ω : 2 = 3.6 Ω. Con tres focos iguales 7.2 Ω : 3 = 2.4 Ω... etc. Para el caso que haiga diferentes consumidores el caso es un poco más complicado: En nuestro ejemplo: El circuito en serie Muy diferente es en el circuito en serie. Para aumentar por ejemplo la tensión de los pequeñas pilas recargables de 1.2 V a 9.6 voltios se junta 8 pilas en serie. En serie se suma la tención pero la potencia y la corriente quedan igual. Si juntamos focos en serie se suma su resistencia. Como se aumenta la resistencia ya no puede pasar la misma tención. Con dos focitos de 6V podemos construir un foco de 12V. En este caso se divida la tención proporcional a la resistencia. Como la residencia de los dos focos es igual se parte la tensión entre 2 que da 6V Si queremos construir una planta fotovoltaica que funciona con 24 Voltios necesitamos dos paneles y dos baterías que juntamos en serie. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 20

21 Aquí también se suma las tenciones lo de mas queda igual. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 21

22 4 El Panel Solar El panel solar es el corazón de nuestro sistema fotovoltaico que está construido de obleas. Una oblea es disco fino de silicio de unos 0.2mm a 0.3mm de grosor. Debido a las diferentes capas semiconductoras, la incidencia de la luz provoca en la célula solar una separación de cargas que puede medirse por fuera como una diferencia de potencia. Esta diferencia de potencia depende del material semiconductor y, en caso del silicio es de unos 0.6 voltios. Para que el panel tiene una tensión valorable se conecta unos 32 obleas en cadenas en serie hasta llegar a 19.2 voltios. Oblea cruda Las cadenas de obleas se pega encima de una plancha que es la base del panel. Las obleas se tapa con un vidrio para proteger las de la lluvia y humedad. El agua destruye las obleas y sus contactos. Los contactos para conectar los cables están en una caja detrás del panel en la caja también encontramos diodos. Oblea con circuito eléctrico Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 22

23 4.1 Tipos de Células Solares En el mercado internacional se ofrecen actualmente no menos de 800 modulos fotovoltaicos diferentes de al menos 100 fabricantes. En el mercado se dispone actualmente de apenas una docena de diferentes materiales de células. En la práctica, la mayor parte corresponde hasta la fecha a las células solares de silicio cristalina. De acuerdo con sus materiales de partida hay que destinguir tres grupos de células. Células de silicio mono cristalinas Células de silicio poli cristalinas Células de capa fina (células de silicio amorfas y otros matariles) El mercado está dominado por un 93% de células mono y poli cristalina. Clasificación según su eficiencia Tipo de célula Eficiencia de módulo Superficie para 1kWp Mono cristalina 13 17% 7 9 m2 Poli cristalina (ECG) % 8 9 m2 Poli cristalina 8 10 % 9 11 m2 Capa fina 6 8 % m2 Amorfa 4 7 % m2 La eficiencia de una célula individual (muestra laboratorio) tiene una eficiencia mucho más alta que un módulo completo. Por tal motivo hay que trabajar con el rendimiento del módulo Silicio mono cristalino A partir de una colada de silicio ultra puro se hacen crecer las llamados mono cristales. Se obtienen así bloques de silicio de sección circular que se cortan en discos de entre 0.2 mm y 0,3 mm de grosor (obleas). Estos discos de brillo plateado construyen la base de la célula solar mono cristalina. Debido a la forma circular de las células, se produce un espacio intersticial desaprovechado y dispuesto uno junto a otro en el módulo. Así pues, para poder integrar mas células en el módulo, las células, redondas en principio, son recortadas con abundante residuo hasta darles una forma más o menos cuadrada. Completan en proceso otros procedimientos químicos, como el dobaje de la cara superior e inferior de las células y la incorporación de la capa anti reflectante y de los contactos anteriores y posteriores. Las células mono cristalinas fabricadas en serie tienen grados de eficiencia de entre el 13% y el 17%. Si bien su fabricación consume más energía y tiempo que Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 23

24 la de las células poli cristalinas, no obstante, cuentan actualmente con la eficiencia más alta de todos los tipos de células. Se trata habitualmente de células de 5 con 125mm de longitud de arista; la novedad en el mercado son las células de 6 (125mm) Silicio poli cristalino Para la fabricación del silicio poli cristalino la más habitual es recurrir al procedimiento de bloque fundido. En este, el silicio en bruto se calienta intensamente y se enfría en molde de forma contralada. Al solidificarse la colada, los cristales se orientan de forma irregular. De ahí que la superficie de un oblea revele la estructura iridiscente de un poli cristal. Los bloques de silicio de sección cuadrada son rebanados en discos de 0.3mm de espesor. El habitual aspecto azul es resultado de la capa anti reflectante utilizada. Esta puede variar en grosor y, por ello, en color. No obstante, el azul tiene las mejores propiedades ópticas (es el que menos luz refleja y más absorbe). Completan el proceso otros procedimientos químicos y la incorporación de los contactos, las células poli cristalinas fabricadas en serie tienen un grado de eficiencia modular de entre 11% y 15%. Lo Habitual son células de 5 y 6, aunque hoy día también existen células poli cristalinas de Célula de capa fina A pesar de bajo grado de eficiencia y, por elo, de su mayor demanda superficial, las células de capa fina de diseleniuro de cobre e indio (CIS) o teluro de cadmio (CdTe) suponen un buen material alternativo. Otras ventajas son mayor tolerancia al sombreado y un menor descenso de eficiencia a altas temperaturas en comparación con las células de silicio cristalinas Células solares de de silicio amorfo Las células de silicio amorfo, es decir, no estructurado, dispuesto de un modo no cristalino, se usan hoy de múltiples maneras para hacer funcionar calculadoras de bolsillo y relojes de pulsera. La eficiencia de estas células solares esta alrededor de 6% - 8%. Aquí, al contrario que en las células cristalinas, el material semiconductor activo, de entre 0.05 y 0.2mm, es notablemente más fino. Por ello se precisa mucho menos material de partida que en las células de silicio cristalinas. En el proceso de producción, el silicio se aplica vaporizado sobre un material base, por ejemplo, vidrio. Otros procedimientos químicos y la incorporación de los contactos completan también aquí el proceso. 4.2 Cómo funciona? Las células solares se obtienen mayormente a partir de silicio cristalino ultra puro, tal como este se usa también en electrónica para componentes semiconductores. El material de partida es la arena de cuarzo (SiO2), muy abundante. Para el posterior tratamiento, no obstante, el silicio en bruto asi obteniendo debe Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 24

25 presentarse en una forma químicamente pura. Con una adecuada incorporación (dopaje) de atomos extraños (generalmente boro y fósforo) se generan en la célula das capas con diferentes propiedades eléctricas (positiva p y negativa n ). En la interface entre estas dos capas (unión p - n ) se forma un campo eléctrico: la llamada zona de carga especial. Al incidir la luz sobre la celula, las cargas eléctricas foto generadas de la zona de carga especial se separan. En las conexiones eléctricas se origina asi una tensión continua, en gran medida independiente de la radiación incidente, de aproximadamente de 0.5 a 0.6 voltios. La máxima potencia de una célula solar, depende directamente de la radiación solar y la temperatura de la célula. Para la potencia máxima se usa la determinación potencia pico (del inglés peack=pico) y se la consigna como Wp vatios pico. Todos los módulos solares llevan la indicación cual es su potencia pico en las siguientes condiciones: Temperatura del módulo de 25 C Radiación de 1000 W/m2 Factor masa de aire de 1.5 AM Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 25

26 corriente (A) Energía Solar en los Andes Fotovoltaico N 4 tensión (V) Como podemos observar en el diagrama arriba la tensión no se influya mucho de la radiación su variación es entre 0.5 a 0.6 voltios. Pero la corriente es depende de la radiación. La potencia de los módulos solares también depende de la temperatura de ellos. El factor de corrección depende del panel esta alrededor de 0.5%/K eso sinifica por cada centígrado mayor de 25 C la potencia baja 0.5%. por ejemplo tenemos un panel de 100Wp con un factor de 0.5%/K que tienen una temperatura de 50 C eso significa que su potencia es de 50 C 25 C = 25 C * 0.5% = 12.5% 100 * 12.5% /100 = 12.5W la potencia del panel es 12.5 W menor. En alturas sobre los 3500 m.s.n.m. la temperatura del ambiente normalmente es moderada alrededor de 15 C entonces que el panel mismo no va a llegar a temperaturas altas. Si lo instalamos encima de calaminas que producen mucho calor tenemos que ver que haiga circulación de aire de abajo del panel para que no se caliente mucho. 4.3 Selección del panel solar A la hora de elegir, entran dudas. Por ello juntamos unas recomendaciones para la selección de un panel. En primer lugar hay que diferenciar entre ofertas baratas y económicas. Productos baratos normalmente no cumplen las normas técnicas y sus acabados son toscos. No traen exámenes de pruebas superados, no dan garantía. Un buen fabricante da por lo menos 20 años de garantía. También la tolerancia de los valores es igual o menor de 5%. Qué tipo de célula? Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 26

27 Para el uso en pequeño escala no está muy importante el tipo de célula. Si bien los módulos poli cristalinos presentan una eficiencia algo menor que sus hermanos mono cristalinos, tienen también por ello un precio menor. Ficha técnica de RWE Schott Solar Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 27

28 5 Batería En los sistemas fotovoltaicos de suministro, la producción de energía y el consumo raramente transcurren simultáneamente. Así pues, en régimen aislado resulta imprescindible almacenar la corriente fotovoltaica generada durante el día para cubrir la demanda nocturna. Para almacenar la corriente usamos baterías en el mercado existen una variedad de baterías para diferentes aplicaciones con diferentes características como la capacidad, la cantidad de ciclos de carga y descarga, máxima corriente de descarga, tiempo de auto descarga. En el mercado mundial existen muchos diferentes tipos de baterías como la Plomo-Acido batería, la Plomo-Gel batería las baterías solares y como también las pequeñas pillas recargables. 5.1 Batería de caro Eso es la batería más conocida y común en el campo. Este batería esta construida para arrancar caros con alta corriente en un corto tiempo. A veces encontramos las siguientes indicaciones encima de una batería: 12V, 56Ah y 210A que significa que la batería tiene una tensión de 12 voltios, una capacidad de 56 amperios hora y que puede resistir corrientes de 210 amperios. Estas baterías están en una caja de plástica partida en 6 células que son placas de plomo. Entre ellos hay el liquido de batería que es agua destilada con 30% de acido sulfúrico. Todas las placas de plomo tiene que estar tapado del acido para que hay contacto. En las partes a donde no hay acido no se puede almacenar energía. Si en caso que no hay suficiente acido en la batería por vaporización o por sobrecarga gasificado se puede aumentar el nivel con agua destilada. En caso que hay que aumentar acido hay que trabajar con cuidado por el hecho que el acido puede producir quemaduras graves en la piel. Si salpica al piel hay que lavar la rápido con bastante agua. También manchas encima de ropa hay que lavar inmediata para evitar que se quema un hueco. Podemos medir la capacidad actual de una batería de plomo usando el multimetro midiendo la tensión o podemos usar un medidor que mida la densidad del acido. Al costado tenemos valores de una batería nueva 2 horas después de cargar la. Estado de Carga en % Tensión Voltios Peso de Acido Kg/Litro Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 28

29 Si descargamos la batería más que los 11.9 voltios llegamos rápido al límite de la descarga profunda de 10.8 voltios. Descargas más profundas empiezan a disminuir la capacidad de la batería irreversible hasta su muerte. Baterías descargadas el mas antes posible cargar para evitar la descomposición del plomo en las placas. Este plomo descompositado se acumula al fondo de la batería y acá puede producir un corte entre dos placas. Baterías descargadas pueden congelarse fácilmente y así reventar. Mejor es instalar las baterías en la casa en un sitio ventilada. En un lugar calido la batería trabaja mejor. Si cargando la batería podemos pasarnos del límite de gasificación del agua que significa que se empieza a producir burbujas en la batería. El límite es depende de la temperatura de la batería como vemos en la tabla al costado. En el proceso de gasificación se produce el explosivo gas oxhídrico. Temperatura Tensión +30 C 13.8 V +20 C 14.1 V +10 C 14.4 V 0 C 14.8 V -10 C 15.3V -20 C 15.8 V -30 C 16.2 V Si por largo tiempo las baterías de caro no se remueven se da una separación del agua y del acido. Eso significa que partes de las placas de plomo están solo tobado por agua que no permite el transporte de electronos. También permite que se forme sulfato que baja para siempre la capacidad de la batería. Por eso hay que remover la batería parque el acido se mescla otra vez con el agua. Una batería de caro se puede cargar y descargar unas 200 veces por completo. Eso significa si lo usamos diario que después de 7 meses se termino su vida útil. Eso es muy pocito por eso nuca debemos descargar la batería por completo. La descarga recomendada es a una profundidad de 20% a 30% de su capacidad. Mejor es aumentar la capacidad de nuestro almacén por una segunda batería en paralelo (mira capitulo 3.5.1) La cantidad de los ciclos sube proporcional a la profundidad de descarga. Por ejemplo: Descarga de 50% da 400 ciclos Descarga de 10% da 2000 ciclos Descarga de 1% da ciclos La eficiencia de las baterías de caro es de 80%. Significa que podemos usar solo el 80% de lo cargado, o para tener 100Ah de uso hay que cargar con 125Ah. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 29

30 5.2 Batería solar La batería solar es mejorada para el uso en sistemas solares que significa que tiene hasta 500 ciclos que duplica la vida útil. También la auto descarga de la batería es la mitad de las baterías de caro. Estas baterías no pueden dar altas corrientes como las baterías del caro, normalmente no es necesario. Pero nunca se debe usar este tipo de baterías en un caro. No voy a describir más sobre este tipo de baterías porque es muy difícil hasta imposible de encontrar de hoy en día en Perú. 5.3 Batería de Plomo-Gel Esta batería esta construido para el uso en cualquier posición hasta de cabeza. Porque la mezcla de acido y agua destilada esta en forma de gelatina que no permite que salga de la batería. Estas baterías tienen una valvulita de seguridad para dejar salir las gases que se producen en caso de sobre carga. Las características eléctricas son casi igual que las baterías de caro. Con la diferencia que son mucho más caro. 5.4 Pilas recargables Nicle-Cadmio Las pilas recargables de Nicle-Cadmio (NiCd) son un buen remplazo de las pilas comunes. Ellas tienen las mismas medidas con la diferencia que tienen 1.2voltios en vez de 1.5voltios pero eso no es un problema para la mayoría de artefactos. Pero tienen la ventaja que pueden ser recargado 5000 veces que significa que contaminamos mucho menos el medioambiente con metales pesados como cadmio, nicle, mercurio,.. Las pilas (NiCd) se deben descarga por completo antes de recargar, para evitar el efecto de memoria. Es un efecto raro que tienen estos baterías de recordarse su estado de descarga y la próxima vez ya no quieren que se descarga mas. La eficiencia de estos pilas es de 65% que significa que debemos cargar casi 1.5 veces más energía que podemos usar después. Pero sin embargo son muy útiles para el uso en las radios portátiles. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 30

31 5.5 Pilas recargables Nicle-metalhibrida Es pila es mucho mejor que la NiCd porque tiene 50% más capacidad no tiene el efecto memoria y tiene mucho menos contaminaste. Ese pila tiene tambien 1.3 voltios y cuesta un pocito más que la otra. Por sus mejores características debemos usar estos pilas que se llaman (NiMh) pilas 6 Regulador En el capitula anterior hemos visto que baterías son sensibles a sobre carga y desmalladlo descarga. Los módulos solares pueden producir hasta 24 voltios, esta tensión nos va a hervir las baterías. En la noche el panel funciona al revés y consuma energía que significa que usara la energía guardado en la batería. El regulador cumple en general tres tareas importantes: Controlar la tensión de carga (para evitar sobre carga) Cortar la corriente a las artefactos en llegar a 11.8 voltios Evitar la descarga atreves del panel en la noche. Nosotros mismos podemos cumplir esta tarea pero significa que tendremos que estar detrás y creo que tenemos deberes más importantes, por eso un regulador debe cuidar la batería En el mercado existe una variedad de reguladores de muy simples hasta con microordenador. Para nuestro uso un simple que cumple las tres tareas mencionados es suficiente. Importante en la selección del regulador es que está hecho para la tensión 12/24V depende como lo queremos usar y también que suporta la corriente del panel. 7 Cables Las cables necesitamos para el transporte de la corriente entre les diferentes artefactos. En un sistema de corriente continua la resistencia que hacen los electrones en los cables es mucho más alta que en sistemas de corriente alterna. Para no desperdiciar la energía ganada del sol es necesario de elegir el diámetro correcto de un cable por su carga y distancia. Demasiado cargo en un cable puede llegar a encender el cable y así provocar un encendió en la casa. Es importante que elegimos los cables que la perdida de corriente es menos de 5% mejor será solo un 1% Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 31

32 Para calcular la pérdida de corriente en un cable podemos usar la siguiente ecuación. Ejemplo el cable del regulador a la Batería que tiene un metro de largo. Como en la ida y la vuelta hay pérdida de tensión tennos que duplicar ese metro. Entre la batería y el regulador fácil pueden pasar unos 10 Amperios. El valor Ω/mm2 es la residencia por mm2 de un cable de cobre. Para nuestro ejemplo elegimos el cable AWG 14 con un área de 2.08mm2 Para calcular el porcentaje de perdida usamos la siguiente ecuación En el cable entre el regulador y la batería tenemos una pérdida de 0.17voltios eso significa que el regulador siempre va midiendo 0.17 voltios menos que la batería tiene de verdad. Como eso es pocito no hay problema pero si por no cortar el cable habremos dejado el cable 5 metros la pérdida será de 0.86voltios que son más de 7%. Eso nos causa que no se va poder descargar la batería por completo y en el momento de cargar se la sobre carga que significa gasificación del agua destilada. Importante para la conexión entre regulador y batería ver que no nos pasamos de 1% de pérdida. Como es fastidioso calcular la perdida por cada cable te preparado dos tablas para una instalación de 12Voltios en el Anexo hay una para 24Voltios. Ejemplo: Si Queremos conectar un Foco de 10Vatios con 8.0 metros de cable (solo ida) necesitamos un cable AWG N 14 que tiene un área de 2.08mm2. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 32

33 Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 33

34 Los cables que se instala en el exterior deben ser aparte de su correcto tamaño resistente a la radiación ultravioleta del sol. 8 Fusibles Los Fusibles son muy importantes para la seguridad de nuestro sistema. Que rápido producimos un corte circuito sin que queremos, cual sin fusibles puede causar la destrucción del sistema. Como los baterías brindan altas corrientes que puede transformar los cables en focos y así causar incendios es muy importante que los sistemas cuenten con fusibles. En primer lugar usamos los fusibles para proteger nuestros cables por eso todos los cables deben tomar la corriente atreves de fusibles que se queman antes que el cable. El tamaño del fusible elegimos que deja pasar suficiente corriente para nuestros aparatos pero que se quema antes que el cable. Normalmente ponemos un fusible principal muy cerca a la batería cual tiene el tamaño para la máxima corriente que puede pasar. Por ejemplo: Una instalación con 10 Focos de 15 Vatios más un televisor de 30Vatios y un radio de 20Vatios que suma 200Vatios en total. Que son 16.7 Amperios entonces el fusible principal debe ser de 20 Amperios pero eso es mucho para las cables delgadas que van a las focos entonces esos deben tener sus fusibles aparte. Para nuestro uso son muy bien los fusibles de autos que hay desde 1A hasta 40A. 9 Inversores Inversores son muy útiles porque nos pueden transformar la corriente continua a corriente alterna de 220Voltios que nos sirve para hacer funcionar aparatos como computadoras. En el mercado existen tres tipos de inversores cuales depende que equipos queremos usar. 9.1 Cambiador en cuadrado Son los más simples y más baratos, ellos producen una corriente en cuadrado con un simple mecanismo de cambiar de positivo a negativo. Eso es suficiente para focos, calefactores o taladros, pero no es suficiente para aparatos que tienen transformadores o motores de inducciones como lavadoras, refrigeradoras,... Esos aparatos pueden funcionar pero con altas perdidas de tensión. En radios se produce malas sígnales que molestan ordenadores pueden paralizarse. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 34

35 9.2 Cambiador en trapecio Ya son mejores porque se acercan más al óptimo de la curva seno. Y son suficientes para la mayoría de los artefactos como televisor, equipos y maquinas como lavadoras, refrigeradoras. Como es un poco más complicado de producir el trapecio estos inversores son un pocito más caros que el primero. 9.3 Cambiador de seno El más caro pero también el mejor con chaul podemos usar cualquier equipo también ordenadores y sistemas de radio. Es inversor reproduce en manera digital el camino de la curva seno. Hay que tener cuidado con el uso de motores porque ellos pueden jalar 5 veces mas potencia en el momento de arranque que en su uso. Por eso muchos inversores tienen dos potencias. Por ejemplo 300W/500W que significa en su uso corrido puede abastecer 300Vatios y en un corto plaza de máximo 20min puede brindar 500Vatios Buenos inversores tiene el control de descarga profunda de batería integrado que es muy útil porque normalmente se conecta los inversores directo a las baterías. En este caso hay que usar cables gruesas y cortas mira el capitulo cables. Desventaja de los inversores es su eficiencia de 50% a 90% 10 Planificación de Sistemas Después de conocer todos los componentes importantes de un sistema fotovoltaico nos educamos ahora en la planificación del sistema Consumo En primer lugar necesitamos saber cuánto es el consumo por día para poder calcular el tamaño de la instalación. Normalmente en la especificación técnica de los artefactos dice su potencia en vatios con aquello mas la duración de uso podemos calcular la energía que necesitamos. Un foco de 100vatios cual usamos 5 horas en la noche entonces necesitamos 100W * 5h = 500Wh de energía. En este ejemplo ya será mucho mejor de usar un foco orador de 10W cual nos consuma en 5 horas solo 50Wh diez vezes menos que el otro foco. Entonces tenemos que a notar en una tabla los artefactos que queremos usar y el tiempo de uso por día así podemos sumar la cantidad de energía que tenemos que producir y almacenar. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 35

36 Que Cantidad Unidades Potencia Vatios Uso por Día Horas Energía Wh Focos Radio Televisor B/N Total 415 En este ejemplo necesitamos 415Wh de energía para satis fechar la demanda 10.2 La Batería Entonces tenemos que almacenar 415Wh cuales equivale a 415Wh : 12V = 35Ah. El amperaje de 35Ah multiplicamos con 2 para a largar la vida útil de la batería. Entonces elegimos una batería 70Ah así descargando la solo a 50%.eso nos ayuda de evitar descargas profundas y también nos da una reserva en días nubladas o si queremos usar otro equipo adicional Panel El Panel debe producir 20 por ciento más que necesitamos por el hecho que en la carga de las baterías perdemos esto. Entonces nuestro panel debe producir 415Wh x 1.20 = 498Wh por día. En la teoría sobre el sol hemos visto que el promedio de energía que nos brinda el sol es 6kWh/m2 eso equivale a 6 horas de sol con 1000W/m2 que es el valor que se usa para indicar la potencia pico de un panel (Wp) La potencia del panel es de 498Wh : 6 = 83Wp entonces podemos elegir un panel de 80Wp y 12V que tiene un amperaje de 6.66A 10.4 Regulador Con los datos del panel podemos elegir un regulador de 8Amperios y 12 Voltios que nos va a manejar el sistema para evitar descargas profundas y sobrecargas de la batería Fusibles Para elegir los fusibles necesitamos saber la potencia máxima cuando todos los artefactos están en uso. 5 focos a 9W =45W + una radio de 10W + un televisor de 30W = 85W 85W : 12V = 7Amepriso El fusible entre regulador y batería debe ser de 8 Amperios El fusible para el televisor es de 2.5A 30W : 12V Los fusibles para los focos es de 4A 45W : 12V Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 36

37 10.6 Cables Como sabemos es importante la selección del diámetro correcto de los cables para evitar pérdidas en el sistema Plano de una instalación Para llenar lo siguiente tabla usamos la tabla de pérdida en cables del capítulo cables Si hacemos la selección de cables con una pérdida igual o menor a 1% por cada segmento nos sale la siguiente relación pero eso significa que en cada segmento tenemos 1% de pérdida que nos da hasta 5% de pérdida para el foco más alejado si se usa todos los artefactos juntos Segmento Potencia Distancia Diámetro N AWG Vatios metros mm Para evitar eso podemos calcular el diámetro en su largo de un cable. Para eso sumas los segmentos desde el inicio hasta el foco Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 37

38 Segmento Potencia Distancia Diámetro N AWG Vatios metros mm2 1,2,3,4, ,2,3,4, ,2,3, ,2, , Como podemos observar los diámetros han cambiado. Para hacernos fácil en la instalación de los cables para los usuarios usamos solo un diámetro cual será AWG N 12 para todos los focos y para la conexión a la tele usamos AWG N 10. Así podemos asegurar que no nos equivocamos con los cables en la instalación y también que no superamos el 1% de pérdida cuando usamos todos los artefactos. Para el cable entre regulador, panel y batería usamos los siguientes cables Segmento Potencia Distancia Diámetro N AWG Vatios metros mm2 Panel Batería Mejor será usar para la batería también del cable N 7 para bajar las perdidas a un mínimo. Si los cables del panel se instalan en el exterior hay que usar cable residente a la radiación ultravioleta. Es importante de hacerse un esquema de la instalación para evitar equivocaciones. Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 38

39 Para planificar sistemas más grandes se sigue los mismos pasos hasta llegar a un tamaño de 1500Wp a partir de ahí recomendamos a cambiar a 24 o 48 voltios en el sistema para evitar el uso de cables muy gruesos y carros. 11 Montaje Después de la planificación y la compra de los materiales nos toca la instalación del sistema. En la instalación hay que tomar algunas medidas de seguridad para evitar accidentes y incendios causados por la corriente continua Riesgos de la corriente continua Lo primero: las plantas fotovoltaicas son distintas de otras instalaciones eléctricas. Mientras sea de dia, las plantas fotovoltaicas no pueden apagarse. Pero el autentico riesgo está, sobre todo, en que aquí no funciona ninguno de los dispositivos convencionales de seguridad: la corriente de cortocircuito del Empleo y Juventud Prelatura de Sicuani 39