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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

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.

Por las características del recurso normalmente no es posible sincronizar la generación con la demanda y, para que el sistema funcione de la manera deseada, es necesario agregar dispositivos específicos.

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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 versatilidadal sistema favoreciendo el autoconsumo de la energía generada y reduciendo el impacto sobre las redes (sobredimensionamiento, eficiencia, etc.).

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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO

Esquema general y componentes principales

Opcional

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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 o ramas en paralelo queda determinada por la corriente a suministrar a las baterías.

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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 este tipo de sistemas son las de plomo-ácido por su buena relación costo/prestación.

Comienzan a utilizarse las de litio.

Tesla Powerwall

13.5 kWh

120 kg

115 x 75.5 x 15.5 cm

https://www.tesla.com/powerwall

Rolls

Plomo ácido

http://www.rollsbattery.com/

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Baterías de plomo-ácido

Tecnología madura. Introducidas por Gastón Planté en 1860.

Estructura básica

Electrodo +: dióxido de plomo (PbO2)

Electrodo -: plomo (Pb)

Electrolito: ácido sulfúrico diluido en agua (H2SO4)

Reacción electroquímica completa

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.

descarga

carga2 2 4 4 2 PbO +Pb+2H SO 2PbSO 2 H O

Sulfato de plomo

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Baterías de plomo-ácido (cont.)

Reacciones electroquímicas detalladas

descarga

carga

2- -

4 4Pb+SO PbSO +2e

descarga

carga

2- + -

2 4 4 2PbO +SO 4H +2e PbSO +2H O

descarga

carga

+ 2-

2 4 42H SO 4H +2SOElectrolito

Cátodo (-)

Ánodo (+)

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Componentes

Electrodos

Separador

Electrolito

Terminales

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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.

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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.

De electrolito absorbido (AGM): utiliza un separador de fibra de vidrio poroso que absorbe el electrolito.

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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.

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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.

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Capacidad

La capacidad disponible depende de las condiciones de operación (corriente de descarga, temperatura, SOH, etc.)

Capacidad nominal C [Ah]: se da para una tasa de descarga (hs) específica (C/10, C/20 o C/100 [A]). Otras tasa (corrientes) modifican la capacidad disponible.

Tensión de corte

mínima

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Descarga a

~C/20 [A]

(nominal)

Descarga a

C [A]



Capacidad (cont.)

Formas alternativas de especificar la capacidad

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Capacidad

La capacidad disponible se reduce al disminuir la temperatura, y aumenta al aumentar la temperatura pero reduce su vida útil.

Para baterías C20

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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)

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

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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 generalmente 2V (2.125-2.05)

Tensión en

reposo

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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 semonitorea la tensión (inferior a 2.4 Vpc)

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Método de carga 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)

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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.

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 o ecualización.

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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

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%.

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L

Q

Q

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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.

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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.

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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, y de descargas más allá de la mínima tensión de corte.

Suelen incluir protección (diodo) para evitar que con baja tensión en paneles, las baterías se descarguen a través de éstos.

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)

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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.

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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 (corriente continua) y algoritmos de seguimiento del MPP.

Se justifica donde el aumento en la potencia capturada de los paneles compensa el costo.

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Sin MPPT

Ejemplo: http://www.steca.com/index.php?Steca-PR-10-30-en

Con MPPT

Ejemplo: http://www.morningstarcorp.com/products/sunsaver-mppt/

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http://www.steca.com/index.php?Steca-PR-10-30-en

http://www.morningstarcorp.com/products/sunsaver-mppt/


Inversor

Realiza la conversión de corriente continua (provenientes de los paneles y del banco de baterías) a corriente alterna para alimentar las cargas.

Características deseables

Proveer una frecuencia estable, potencia reactiva para cargas inductivas, y corrientes de arranque (2-3.5 veces la nominal).

Buena eficiencia (incluyendo baja carga).

Tolerar sobrecargas por algunos minutos.

Limitar la corriente de arranque del lado de continua.

Protecciones ante sobrecargas y cortocircuitos del lado de alterna.

Onda sinusoidal con baja distorsión armónica (calidad de energía).

Bajo nivel de interferencias de alta frecuencia.

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Inversor (cont.)

La eficiencia depende de la carga

Con carga supera el 90% pero sereduce significativamente con cargas muy bajas.

Consumos típicos del inversor

~1-5 W en stand-by

~20 W en funcionamiento (evitar artefactos en reposo).

Especificaciones

Tensión de entrada (debe coincidir con la del banco de baterías).

Tensión de salida en AC (220V o 380V)

Potencia de salida en AC (continua y de pico)

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Inversor (cont.)

Steca Solarix PLI 5000-48 (5kW-48V) con regulador de carga

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https://www.steca.com/index.php?Sine_wave_inverter


Inversor (cont.)

Steca Solarix PLI 5000-48 (5kVA-48V) con regulador de carga

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