Conceptos Básicos sobre Sistemas Fotovoltaicos. Robert Foster

Transcripción

1 Conceptos Básicos sobre Sistemas Fotovoltaicos Robert Foster

2 RADIACIÓN SOLAR Reflejada por las nubes Reflejada por la superficie Radiación difusa Absorción atmosférica COLECTOR SOLAR Radiación directa Radiación total = Radiación Directa + Radiación Difusa 2

3 IRRADIANCIA E INSOLACIÓN Irradiancia: Potencia solar medida en Watts por metro cuadrado (W/m 2 ) Parámetro clave para entender o probar el rendimiento del SFV en un momento dado Insolación: Energía solar medida en Watts-hora por metro cuadrado (W-h/m 2 ) Parámetro clave para diseñar un SFV o entender su desempeño promedio 1000 W-h/m 2 = 1 kw-h/m 2 = 1 Hora Solar Pico (HSP) 3

4 IRRADIANCIA, INSOLACIÓN Y HORAS SOLARES PICO Insolación es el área bajo la curva de irradiancia Las HSP son claves para el dimensionamiento de los SFV 5 4

5 5 TRAYECTORIA SOLAR ESTACIONAL

6 INCLINACIÓN DEL COLECTOR A LA LATITUD EL COLECTOR DEBE APUNTAR HACIA EL SUR LATITUD ± 15 GRADOS 6

7 7 Vistos en en el módulo

8 8 INCREMENTO DE INSOLACIÓN

9 SFV CON SEGUIMIENTO AL SOL De un eje: Aumentan la insolación total en un 10-25% De dos ejes: Aumentan la insolación total en un 15-35%. Los sistemas concentradores necesitan rastreadores Todos dependen de la latitud y la época del año 9

10 PIRÁNOMETROS CM 11 de Kipp & Zonen Model PSP Eppley SP LITE 10 Model 8-48 de Eppley

11 PIRHELIÓMETROS CH 1 de Kipp & Zonen Model NIP de Eppley 11

12 MONTAJE DE LOS PIRHELIÓMETROS Modelos SMT-3, ST-1 12

13 MEDICIÓNDE RADIACIÓN DIFUSA Modelos SBS, SDK CM 121 (anillo sombreador) 13

14 14 Recurso Solar Norteamerica

15 15 Mapa Solar CentroAmérica

16 Recurso Solar en Nicaragua Zonas Pacífico Central Montañosa Atlántica Chinandega Managua Muy Muy San Carlos El Rama Puerto Cabezas MWh/m 2 -año kwh/m 2 -día KW/m

17 Aprovechamiento de la Energía Solar Sistema Solar Térmico Sol Irradiancia Calor Calor habitacional Agua Caliente Purificación de agua Secado de productos Generación de electr. etc Sol Irradiancia Sistema Fotovoltaico (FV) Electricidad Telecomunicación Alumbrado Bombeo de Agua Ventilación Refrigeración etc Dispositivo FV 17

18 Historia de la Tecnología Fotovoltaica El científico francés Alexander Edmund Becquerel descubrió el efecto fotovoltaico, que cuando la luz incide sobre ciertos elementos químicos, se produce una corriente eléctrica Bell Laboratories desarrolló la primera celda fotovoltaica cristalina, con una eficiencia de 6% (todavía se funciona a 1.54%).

19 Conceptos Fundamentales Corriente (I): Cantidad de electrones por segundo que fluye en un circuito, medida en amperios (A) Voltaje (V): Potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito, medida en volts (V) Potencia (P): Energía por segundo producida o consumida, medida en watts (W) 19» P = V * I

20 Funcionamiento de una Celda Fotovoltaica La energía solar viene en los fotones Las celdas fotovoltaicas cambian los fotones en electrones La energía eléctrica viene en los electrones Cubierta antireflectiva Luz Solar (fotones) Contacto Frontal Corriente Eléctrica Cristal de silicio con impurezas de Boro y Fósforo Contacto Posterior 20

21 Nomenclatura de Dispositivos FV Celdas (~0.2-4 watt) Módulos(~5-300 Watt) Arreglos (Cualquier tamaño) Panel 21

22 Eficiencia del Módulo FV La eficiencia típica de conversión de los módulos comerciales varía entre un 10 y un 15%. Lo más eficiente comerical hoy es 22% (SunPower). 1 m 1,000 Watt potencia solar Watt potencia eléctrica Un metro cuadrado (1m 2 ) recibe 1,000 W/m 2 de energía solar 1 m Irradiancia = 1,000 Watt/m 2 10% Eficiencia Watts de potencia electrica 22 Promedio diario de sol (6 hrs) Watt-horas de energía electrica

23 Eficiencia Eficiencia =Pmax / (irradiancia)*(area del modulo) Ejemplo: Potencia generada 53 Watts, un área de 1 m x 0.5 m Irradiancia de 900 kwh/m 2 y una temperatura de 25ºC Respuesta: Ef = 53 W / (900W/m 2 )* (0.5m 2 ) Ef = 11.7 % 23

24 Tipos de Módulos Fotovoltaicos Monocristalinos Celdas de un sólo cristal de silicio Eficiencia 13-22% Proceso de fabricación un poco caro 24

25 Tipos de Modulos Fotovoltiacos Policristalinos Celdas de cristales múltiples Gran parte de silicio es perdido durante el proceso de fabricación Eficiencia entre 11-15% 25 Comparable a los monocristalinos en construcción, costo, características eléctricas y durabilidad

26 Tipos de Módulos Fotovoltaicos Amorfos De película fina (amorfos) Estructura cristalina irregular Eficiencia ~ 4-8% Prometen reducir significativamente los costos de fabricación 26

27 Criterio de Seleccion de Módulos Rendimiento Eléctrico Tamaño físico del módulo (peso) Propiedades mecánicas (construcción de material, estructura, etc) Durabilidad (prueba de calificación, listados - por ejemplo, por UL1703) Eficiencia y requerimiento para el arreglo Costo, vida útil, y garantía 27

28 Datos de Placa o Nominales Etiqueta del fabricante Módulo FV Fabricante SUN Modelo Batalla-51 No. de serie Fecha fab 2001 Epecificaciones a CEP (25 o C, 1000 W/m 2 ): Potencia Máxima (Pmp): 51 W Voltaje a Potencia Máxima (Vmp): 17 V Voltaje de Circuito Abierto (Voc): 21 V Corriente a Potencia Máxima(Imp): 3 A Corriente de Corto Circuito (Isc): 3.2 A 28

29 29

30 Caja de Conexiones de Módulos FV Caja de conexiones Diodo de paso Módulo FV Cableado de interconexión Canalización 30 Terminal positiva

31 Electricidad FV Red eléctrica convencional, generadores rotativos Corriente alterna (c.a.) senoidal pura Sistemas fotovoltaicos Bat Corriente continua (c.c.) Corriente Inversor alterna senoidal 31 modificada

32 Conceptos Fundamentales En corriente continua (c.c.), P = I * V I = 3 A Módulo FV 51W 3A 17V V = 17 V Carga P = I V = 3 A 17 V = 51 W 32

33 De Módulos a Arreglos Conexión en Serie Positivo conectado a negativo Afecta el voltaje y la potencia, la corriente no cambia 17V 3A 51W I = 3 A V = 34 V Carga P = 34 V 3 A = 51 W + 51 W = 102 W 17V 3A 51W Configuración del arreglo: 2S 1P (2 módulos en Serie, 1 en Paralelo) 33

34 De Módulos a Arreglos Conexión en Paralelo Positivo conectado a positivo; negativo a negativo Afecta la corriente y la potencia, el voltaje no cambia I = 6 A P = 17 V 6 A = 51 W + 51 W = 102 W 17V 3A 51W 17V 3A 51W V = 17 V Carga Configuración del arreglo: 1S 2P 34

35 De Módulos a Arreglos Conexión en Serie y Paralelo Afecta la corriente, la potencia y el voltaje 17V 3A 51W 17V 3A 51W I = 6A P = 51 V 6 A = 51 W 6 mód. = 306 W 17V 3A 51W 17V 3A 51W 17V 3A 51W 17V 3A 51W V = 51 V Carga Configuración del arreglo: 3S 2P 35

36 Características Eléctricas Módulo FV 51 W I V (*) A Condiciones Estandares de Pruaba (CEP) Corriente ( I ) en amperes El voltaje y la corriente están relacionados por la curva de rendimiento o curva IV Curva IV * Voltaje ( V ) en voltios 36

37 Curva de Rendimiento La curva IV define todos los puntos de operación La potencia en cada punto de la curva es diferente Corriente (Amperes) A B C Voltaje (Voltios) D E A B C D E V * I* P* Voltaje Corriente Potencia (Volts) (Amps) (Watts) (*) A Condiciones Estándares de Prueba

38 Curva de Rendimiento Condición de corto circuito, circuito abierto y nominal Corriente (Amps) Corto circuito V = 0 I = Isc (corriente de corto circuito) Circuito abierto V = Voc (voltaje de circuito abierto) I = Voltaje (Voltios) Potencia Nominal o Máxima I = Imp, V = Vmp (voltaje y corriente de máxima potencia) En este ejemplo: Isc = 3.2 A Voc = 21 V Imp = 3 A Vmp = 17 V Pmp = 51 W 38

39 Efecto de la Irradiancia Corriente (Amperes) Watt/m 2 25 C 500 Watt/m 2 25 C Voltaje (Voltios) La corriente y la potencia son proporcionales a la irradiancia sobre el plano del arreglo

40 Efecto de la Temperatura Corriente (Amperes) Watt/m 2 25 C 1000 Watt/m 2 50 C Voltaje (Voltios) El voltaje y la potencia se reducen ~0.5% por cada centígrado de temperatura de celda (TC) por encima de 25 C

41 Condiciones Típicas de Operación La irradiancia varía de 0 a 1200 Watt/m 2, según la inclinación del arreglo, hora del día, nubosidad, etc. Generalmente se obtienen de 1000 Watt/m 2 de 11 am a 2 pm durante un día despejado y un arreglo orientado hacia el sol. La temperatura del módulo anda como 25 C más de la temperatura del ambiente (e.g., Tamb = 25 C, Tmod = 50 C) durante el día. Siempre depende del viento, colocación del módulo, etc. Conclusión: La potencia real obtenida casi siempre es menor que la potencia nominal (Pmp), típicamente % menos 41

42 Tipos de Módulos FV-Concentradores De placa plana (módulos comunes) Se pueden instalar en estructuras fijas o rastreadoras Concentradores Necesitan rastreadores sofisticados Lente Celda FV 42

43 Estructuras de Montaje Estructuras Fijas Sobre el techo o terreno (poste, mesa inclinada) Bajo costo, alta confiabilidad 43

44 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos Arreglo FV Carga cc Sistema independiente c.c. de acoplamiento directo Bombeo de agua Ventilación Refrigeración Sistema de bombeo Rancho Lejos, BCS, México 44

45 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos Arreglo FV Controlador de carga Carga cc Batería Sistema indepeniente c.c. con baterías Iluminación doméstica Educación Refrigeración Protección catódica Refrigerador de vacunas 45

46 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos Inversor Carga ca Arreglo FV Controlador de carga Carga cc Batería Sistema independiente c.c. y c.a. 46 Tele-educación Uso residencial Telesecundaria Durango, México

47 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos Inversor Carga ca Arreglo FV Otras fuentes de energía Controlador de carga Batería Carga cc Sistema independiente híbrido 47 Telecomunicaciones Comercios (hoteles, etc) Electrificación comunitaria Fabricación de Hielo Chorreras, Chihuahua,

48 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos Sistema conectado a la red Carga ca Arreglo FV Uso residencial Generación a gran escala Inversor Servicio de electricidad InversorVoltaje(CC)Voltaje(CA)Arreglo FVRed electrica 48

49 Componentes de Sistema FV Completo Modulos FV Proteccion contra sobrecorriente Controlador de Carga Disconectador contra bajo voltaje Proteccion contra sobrecorriente Cargas de c.c Proteccion contra sobrecorriente Desconectador sobrecorriente GFP Desconnectador de sobrecorriente Inversor Proteccion contra sobrebrecorriente Componentes Cargas de c.a 49

50 Aspectos Institucionales de Sistemas FV Si se diseñan e instalan adecuadamente Alta confiabilidad y larga duración Bajo costo de operación y mantenimiento No contaminan No producen ruido Modulares, escalables 50

51 Aspectos Institucionales de Sistemas FV Si NO se diseñan e instalan adecuadamente Baja confiabilidad y durabilidad Alto costo de operación y mantenimiento 51 Alto costo inicial Viables donde no hay acceso a la red eléctrica convencional Tecnología desconocida para el usuario Escasa capacidad técnica local

52 CUANDO SE DISEÑA UN SFV COMPONENTE EFICIENCIA PROMEDIO Arreglo FV 80-85% Banco de Baterías 65-75% Inversor 80-90% Cableado 97% Interruptores/Desc 98% EficienciaTotal Sistema <40-55% Un SFV nominal de 1 kw realmente da energía diario en 5 horas solares no de 5 kwh/día, Sino de 2 y 2.8 kw-h/día por ineficiencias de los componentes 52

53 Resumen Los sistema fotovoltaicos Son confiables y duraderos No ocasionan ningún desequilibrio al ambiente Los sistemas fotovoltaicos son competitivos cuando La cantidad de energía demanda es pequeña Los sitios son lejanos o es difícil llegar a ellos Están bien diseñados Hay un plan de mantenimiento a largo plazo 53