Energía SolarFotovoltaica

Contenido

• Introducción a los sistemas fotovoltaicos

• Módulos fotovoltaicos

• Sistemas fotovoltaicos tipo isla

• Sistemas fotovoltaicos tipo red

• Baterías

• Controladores

• Inversores

• Sistemas de montaje de módulos fotovoltaicos

Breve Historia de los Sistemas Fotovoltaicos

• El Efecto fotovoltaico fue descubierto en 1839 por el francés Edmond Becquerel

• En 1883, Charles Fritts solicitó la primera patente de la celda solar, pero era muy ineficiente.

• Se llevaron a cabo varias novedades entre 1839-1953, cuando los Laboratorios Bell hizo un gran avance al "dopar" el silicio.

• Esto llevó a un uso prominente y de vanguardia de celdas solares en la aplicación de éstas para un satélite en 1958 y la industria progresó rápidamente a partir de ahí.

Alexandre Edmond Becquerel

Ingeniero de Bell Labs probando una celda en 1954. Credito: Bell Labs website

Como Funciona una Celda Fotovoltaica

http://www.youtube.com/watch?v=K76r41jaGJg&feature=related

Tipos de Celdas Fotovoltaicas

• Silicio monocristalino• Silicio policristalino ó multicristalino• Película delgada• Multi-unión

- Policristalino, es el más vendido y de menor costo.- Monocristalino, es el favorito para proyectos grandes, debido a que

tiene mayor eficiencia.- Película Delgada, tienen la menor producción del grupo.- Multi-unión, son las de mayor eficiencia, no se fabrica comercialmente,

sólo para proveer de energía dispositivos espaciales

Silicio Monocristalino - Hecho de un solo gran cristal, cortado a partir de lingotes. Más eficiente, pero también el más caro. Algo mejor en condiciones de poca luz (no tan bueno como se anuncia).

Tipos de Celdas Fotovoltaicas

Tipos de Celdas Fotovoltaicas

Silicio Policristalino - Básicamente, son bloques de silicio fundido que puede contener muchos cristales pequeños. Es probablemente el tipo más común hasta ahora. Un poco menos eficiente que el monocristalino, pero una vez establecidas en un módulo con 35 o más celdas, la diferencia real en watts por metro cuadrado no es mucho.

Tipos de Celdas FotovoltaicasPelícula Delgada, En este esquema el silicio se transmite directamente

en placas grandes, por lo general utilizando algo como el acero inoxidable. Más barato de producir, pero a menudo mucho menos eficiente, lo que significa paneles más grandes para la misma potencia.

Tipos de Celdas Fotovoltaicas

• Las celdas de película delgada las podemos clasificar dependiendo del tipo de material utilizado para su fabricación en:• Celda de silicio amorfo (a-Si)

• Celda de Cadmio-Telurio (CdTe)

• Celda de Seleniuro de Cobre-Indio-Galium (CIGS)

• Celda de tinte sensible al sol (DSSCs)

• Celda solar de Polímero/Orgánico (OPVC)

Tipos de Celdas Fotovoltaicas

• Celdas Multi-unión.• Son celdas desarrolladas para muy alta eficiencia ~ 40 %.

• Son muy costosas

• Tienen aplicación principalmente en generación de energía eléctrica para dispositivos espaciales donde el costo se compensa por el ahorro en peso

• Últimamente se están utilizando en concentradores fotovoltaicos

Proceso de Fabricación de Módulos Fotovoltaicos Cristalinos

Proceso de Fabricación de Obleas

Proceso de Fabricación de Obleas

http://www.youtube.com/watch?v=LWfCqpJzJYM&feature=related

Proceso de Fabricación de Celdas Fotovoltaicas Cristalinas

http://www.youtube.com/watch?v=3jI8tSpJLwY&feature=related

Proceso de Fabricación de Módulos Fotovoltaicos Cristalinos

Proceso de Fabricación de Módulos Fotovoltaicos Cristalinos

Proceso de Fabricación de Módulos Fotovoltaicos Cristalinos

http://www.youtube.com/watch?v=JYZ3TU4RjMQ

Eficiencia de Celdas y Módulos

• La eficiencia de una celda fotovoltaica se mide en cuanto a la cantidad de energía eléctrica que pueden producir con respecto a la cantidad de energía solar que reciben para una área determinada.

• La energía considerada como estándar es 1000 W para un área de 1 metro cuadrado.

• Los fabricantes de sistemas fotovoltaicos expresan su eficiencia en los módulos. Así, por ejemplo, un módulo fotovoltaico de 230 W de potencia máxima con un área de 1.65 m2, tiene una potencia por unidad de área de 139.4 W/m2 y la eficiencia del mismo será dividir esa cantidad entre la energía solar estándar de 1000 W/m2, por lo que la eficiencia del módulo es de 0.1394 ó 13.94 %.

• La eficiencia es un factor que representa la producción de la mayor cantidad de energía en menor área.

Eficiencia de Celdas y Módulos

• La eficiencia de la celda repercute principalmente en el área requerida para generar cierta cantidad de energía.

• La siguiente tabla muestra la eficiencia de diferentes tecnologías y el área que se requiere para generar un kilo-Watt de potencia pico (kWp).

Se debe tener consideración el acceso al sistema(puede incrementar hasta un 20% de la superficie necesaria)

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell_efficiency

Eficiencia de Celdas y Módulos

Eficiencia de Celdas y Módulos

• La eficiencia del módulo es la combinación de celdas colocadas en un módulo.

• Muchos fabricantes suelen apuntar a estas estadísticas para promocionar las proezas de sus módulos.

• Sin embargo, la verdadera medida de un módulo se encuentra en "Producción de energía“.

• El rendimiento energético es la producción real en kilovatios-hora (kWh) según lo medido por un instrumento en el tiempo.

• Organismos Independientes pueden certificar el rendimiento. (Photon International)

Eficiencia de Celdas y Módulos

• Módulos fotovoltaicos varían mucho en potencia y tamaño físico.

• Un módulo típico esta en el rango entre 175-200 W dentro de un área de 0.9 m (3 ft) por 1.5 m (5 ft)

• Por tanto, la "regla de dedo“ puede ser que cada módulo es de 1.35 m2 (15 ft2).

• Si se tiene 200 W y se busca los módulos necesarios para colocar 2,000 W, ¿cuántos metros cuadrados se utilizarán?

• 10 módulos x 1.35 m2 = 13.5 m2

(10 módulos X 15 ft2 = 150 ft2)

1,366 W/m2

(127 W/ft2)

Constante Solar

de 90 a 130 W/m2 (8 a 12 W/ft2) de 30 a 55 W/m2 (3 to 6 W/ft2)

800 W/m2

(75 W/ft2)

Paneles Cristalinos 11-16 % eficienciaPaneles Amorfos 4-7 % eficiencia

alrededor del 55% de la luz solar pasa a través de la superficie del panel

energía promedio recibida por atenuación de la atmósfera

Eficiencia de Celdas y Módulos

Desempeño de los Módulos Fotovoltaicos

• Las características de un módulo fotovoltaico se pueden observar en la curva de desempeño llamada curva I-V.

• La curva es graficada en condiciones estándar de prueba (Standard Test Conditions – STC) de 1,000 W/m2 de radiación, 25 °C de temperatura de la celda y 1.5 masas de aire (Atmospheric Mass –AM).

• La gráfica muestra 3 puntos importantes:• Máximo Punto de Potencia (Maximum Power Point – MPP)

• Voltaje de Circuito Abierto (Voc)

• Corriente de Corto Circuito (Isc)

Desempeño de los Módulos FotovoltaicosCurva I-V a diferentes niveles de radiación Curva I-V de una Celda Cristalina

A MPP el Voltaje es 80% de Voc y la corriente es 95 % de Isc

Desempeño de los Módulos FotovoltaicosCurva I-V a diferentes temperaturas de la celda

TC = Temperatura de la celdaTA = Temperatura ambienteNOCT = Temperatura de operación nominal de la celda (Nominal Operating Cell Temperature)G = Radiación solar (kW/m2)

NOTC es la temperatura que alcanza la celda montada en el módulo cuando opera a TA = 20°C, AM = 1.5, G = 0.8 kW/m2, Velocidad del viento = 1 m/s.

Características de los Módulos Fotovoltaicos

Características de los Módulos Fotovoltaicos

Características de los Módulos Fotovoltaicos

Características de los Módulos Fotovoltaicos

Características de los Módulos Fotovoltaicos

• Efecto de los Coeficientes de Temperatura en el Desempeño del Módulo• Usualmente los coeficientes de temperatura se expresan en %/K ó %/°C para

STC (25 °C)• Coeficiente de Temperatura para Potencia (TCP)

• Coeficiente de Temperatura para Voltaje (TCV) – tiene como referencia el Voc

• Coeficiente de Temperatura para Corriente (TCI) – tiene como referencia la Isc

• La fórmula para determinar la potencia entregada en un instante dado por el módulo es:

Caja de Conexión del Módulo (Junction Box)

• La caja de conexión localizada en la parte posterior del módulo tiene la función de interconectar las celdas a los cables conectores del módulo.

• Usualmente las cajas de conexión tienen diodos de bypass.

• Cuando una celda está en circuito abierto o sombreada, se polariza inversamente. El diodo de bypass tiene la función de desviar la corriente de la celda o celdas sombreadas evitando que se interrumpa la corriente del circuito de celdas.

Caja de Conexión del Módulo (Junction Box)

Diodos de Bypass

Condición Normal

Condición cuando una celda es

sombreada

Cable Solar

• Un cable solar interconecta los módulos solares y otros componentes eléctricos de una instalación fotovoltaica.

• Los cables solares están diseñados para ser resistentes a los rayos UV y resistente a la intemperie.

• Puede ser utilizado dentro de un gran intervalo de temperatura y generalmente son instalados en el exterior.

Cable Solar

Conectores Solares

• Los Conectores MC4 son conectores de único contacto de uso común para la conexión de los módulos fotovoltaicos.

• El significado que le da el fabricante a MC4 es que es Multi-Contacto y que tiene un pasador de contacto 4 mm2.

• El conector MC4 tiene una clasificación de UL en 20A y 600V máximo, dependiendo del tamaño del conductor utilizado.

• Los esfuerzos de normalización en Europa también permitirán versiones 1000V.

• El conector MC4 incorpora un sello hermético flexible y se suministra como tipo “hembra” y “macho” para minimizar la posibilidad de errores de conexión.

• La conexión se realiza mediante el uso de una herramienta especial.

Conectores Solares

Conectores Solares

Caja Combinadora Solar (Combiner Box)

• En un arreglo grande de energía solar fotovoltaica (PV), múltiples módulos solares están conectados en serie en un circuito (string) para construir el voltaje hasta niveles adecuados para el inversor.

• Varias circuitos de módulos solares se combinan entonces en paralelo para multiplicar las corrientes de salida de cada circuito a niveles más altos para la entrada en el inversor.

• La caja combinadora es un dispositivo que combina la salida de varias ciruitos de módulos fotovoltaicos para conectarse al inversor.

• Se utiliza típicamente en las plantas de energía PV escala comercial y la utilidad de mayor tamaño (mayor que 500 kW).

• La caja combinadora alberga habitualmente los fsibles de protección contra sobrecorriente para varios circuitos (dede 3 hasta 52 circuitos), para así obtener un bus de una sola salida.

• Caja combinadora también puede albergar varios otros componentes para el sitio, tales como una desconexión de CC, los dispositivos de protección contra sobrecorriente y, en algunos casos, el hardware monitorización de los circuitos.

Caja Combinadora Solar (Combiner Box)

Diodos de Bloqueo (Blocking Diodes)

• Cuando el sol brilla, y siempre y cuando el voltaje producido por el arreglo sea mayor que el de la batería, la carga se llevará a cabo.

• Sin embargo, en la oscuridad, cuando no hay voltaje producido por el arreglo, el voltaje de la batería podría causar que una corriente fluya en la dirección opuesta a través del arreglo, descargando la batería, si no fuera por el diodo de bloqueo lo evita.

• Algunos controladores no requieren de la instalación de diodos de bloqueo.

• Los diodos de bloqueo también se utilizan en arreglos con múltiples circuitos, evitando que un circuito alimente a otra cuando se sombrea y consume potencia.

• Los diodos de bloqueo usualmente se instalan en las cajas combinadoras.

Configuraciones de los Sistemas FotovoltaicosSistema Directamente Acoplado Sistema Auto-regulado

Configuraciones de los Sistemas FotovoltaicosSistema Isla con control de carga

Configuraciones de los Sistemas FotovoltaicosSistema Isla sin control de carga

Configuraciones de los Sistemas FotovoltaicosSistema Isla para carga de corriente alterna

Configuraciones de los Sistemas FotovoltaicosSistema Conectado a Red

Configuraciones de los Sistemas FotovoltaicosFormas de exportar la electricidad

Configuraciones de los Sistemas FotovoltaicosSistema Bimodal

Configuraciones de los Sistemas FotovoltaicosSistema Híbrido

Baterías

• Las baterías almacenan en forma química la energía eléctrica en corriente directa para un uso posterior.

• Los tipos de baterías comúnmente utilizadas en Sistemas Fotovoltaicos son:• Baterías de Plomo-Ácido

• Líquido venteado

• Selladas

• Baterías Alcalinas• Níquel-Cadmio

• Níquel-Hierro

Baterías

• No se recomiendan las de automóvil porque no son de “ciclo profundo”, esto es, las de automóvil descargan grandes cantidades de corriente por un periodo de tiempo corto.

• Las de ciclo profundo descargan pequeñas cantidades de corriente por periodos largos y tienen condiciones de recarga irregulares

Fuente: Manual Técnico LTH – ciclo profundo

Baterías

• Ciclo. Descarga y carga de una batería

• Características de una batería de ciclo profundo• Capacidad en Amper-hora

• Profundidad de Descarga (DOD) en porciento. Es lo contrario al estado de carga de las baterías. El estado de carga se mide con hidrómetro en baterías con tapón y con voltímetro en baterías de tapa corrida.

Baterías

• Amper Hora (Ah)• Es la cantidad de corriente (en amperes) que una batería puede entregar

multiplicada por la cantidad de horas sin bajar de 10.5 V en una batería de 12 V.

• La mayoría de las baterías de ciclo profundo están marcadas a un rango de 20 h• Ej. Una batería de 100 Ah puede entregar 5 A por 20 horas (amperes x horas = Ah)

Baterías

Controladores

• El controlador fotovoltaico funciona como un regulador de voltaje.

• La principal función de un controlador es evitar que la batería se sobrecargue por el arreglo fotovoltaico.

• Algunos controladores también protegen la batería evitando que se descarguen por la carga de CD.

Controladores

• Los controladores vienen de diferente tamaño, típicamente desde pocos amperes hasta 80 A.

• Si se requiere de mayor corriente, se pueden utilizar dos o más controladores.

• Cuando se utilice más de un controlador, es necesario dividir el arreglo en sub-arreglos.

• Cada sub-arreglo debe estar conectado con su propio controlador y éste a su vez con su propio banco de baterías.

• Los tipos de controladores son:• Controladores paralelo (shunt)• Controladores serie de una sola etapa• Controladores desviadores• Controladores de modulación del ancho del pulso (PWM)

Controladores

• Controlador Paralelo (Shunt)• Limita la corriente de carga de la batería poniendo en corto

circuito el arreglo a través de un transistor de potencia que actúa como una resistencia.

• También utiliza un diodo de bloqueo en serie para evitar un corto circuito en la batería

Controladores

• Controlador Serie• Limita la corriente de carga de la batería abriendo el circuito

del arreglo.

Controladores

• Controladores Desviadores• Estos controladores desvían el exceso de corriente de carga

hacia una carga resistiva

Controladores

• Controladores de modulación del ancho del pulso (PWM)

• Estos proveen una disminución en la carga cambiando rápidamente de encendido a apagado la corriente de carga cuando la batería llega a su carga completa.

• La longitud de los pulsos de carga de corriente decrece gradualmente cuando el voltaje de la batería se incrementa, reduciendo la corriente promedio de la batería.

Controladores

• Seguidor de Máximo Punto de Potencia (MPPT)• Este dispositivo permite al controlador seguir el máximo

punto de potencia del arreglo a través del día para poder entregar la máxima energía disponible del Sol a las baterías.

Controladores

• Controladores para Sistemas Híbridos

• Están diseñados para manejar diferentes fuentes de energía

Controladores

• Especificaciones• Voltaje CD del sistema. Todas las componentes del sistema deberán tener el

mismo voltaje

• Amperaje del arreglo (Isc). El controlador deberá soportar la Isc por cada módulo en paralelo y por 1.25 como factor de seguridad

• Máxima carga CD (Amperes). Si se incorporan cargas de CD, el controlador deberá soportar la máxima corriente de CD de la carga.

Inversores

• Un Inversor es un dispositivo que convierte la corriente directa (CD) en corriente alterna (CA)

• Tipos de inversores:• Inversores para Sistemas Isla

• Inversores para Sistemas en Red

• Inversores Bimodales

Inversores

• Inversor para Sistemas Isla• Éstos inversores tienen como fuentes de poder de CD al

banco de baterías y suministran corriente alterna a la carga

• Operan independientemente del arreglo y de la red de la compañía eléctrica

Inversores

• Inversores para Sistemas en Red• Éstos inversores están conectados, y operan en paralelo, con la

rede de la compañía eléctrica.

• Están entre el arreglo y la Red, convirtiendo la CD del arreglo en corriente altera

• Se sincronizan a la frecuencia de la red

2 kW a 12 kW~ 0.43 a 0.25 usd/W

Inversores

• Inversor Bimodal• Pueden operar en ambos modos, tipo isla o conectado a Red

(no simultáneamente)

• Éstos inversores están conectados a un banco de baterías como en los inversores tipo Isla, mientras el arreglo carga las baterías.

Micro-Inversores

• Convierte la Corriente Directa en Corriente Alterna de un Módulo Fotovoltaico de 190 a 220 W. Usualmente se pueden conectar a la Red.

B-60

~ 0.64 usd/W

http://rredc.nrel.gov/solar/calculators/PVWATTS/version1/derate.cgi

Pérdidas del Sistema

Sistema de Montaje

• Carga Térmica• Los sistemas montados directamente en la superficie del techo incrementan

la transferencia de calor hacia dentro del edificio

Sistema de Montaje

Pre-ensamblado

Sistema de Montaje

Sistemas de Montaje de Módulos

Montaje deInclinación Fija

Montaje deInclinación Ajustable

Sistema de Montaje

Instalación Estética

Sistema de Montaje

Montaje Directo. Tiene poco o no tiene espacio entre los módulos y la superficie de montaje.

Sistema de Montaje

Montaje en Techo con Racks

Sistema de Montaje

Montaje de Punto Muerto (Standoff)

Sistema de Montaje

Integrados al Edificio

Sistema de Montaje

Montaje con Racks en Tierra

Sistema de MontajeMontaje en Poste

Sistema de Montaje

Sistema de seguimiento de un eje

Sistema de Montaje

Sistema de seguimiento de dos eje

Sujetadores y Abrazaderas (Clips & Clamps)

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