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PV´s in Bloom (IEE)

Valencia, 21 de febrero de 2011

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INDICE

1. RADIACIÓN SOLAR1. Introducción

2. Relaciones geométricas Tierra-Sol

3. Atmósfera terrestre

4. Superficie inclinada

2. EL EFECTO FOTOVOLTAICO1. Conversión de radiación solar a energía eléctrica

2. Células solares fotovoltaicas: descripción y funcionamiento

3. Tipos de células solares fotovoltaicas

3. COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA1. Módulo fotovoltaico

2. Inversor

3. Sistemas de montaje

4. Cableado y conexiones eléctricas

5. Sistema de monitorización

6. Ejemplo de dimensionado de una instalación fotovoltaica

4. TIPOS DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS1. Sistemas fotovoltaicos aislados de la red eléctrica

2. Sistemas fotovoltaicos de conexión a red.

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Radiación Solar

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1. RADIACIÓN SOLAR

INTRODUCCIÓN

El SolPrincipal fuente de energía.La mayoría de las fuentes de energía derivandirecta/indirectamente del Sol.Origen de la energía del Sol:Reaccionesnucleares que se realizanen su interior.

4 1H12He4 + 2e

Radiación solar:Energía radiante en forma de Radiaciónelectromagnéticadel Sol fotones

En 1 segundo el Sol irradia más energía que la consumida por todo el género humano hasta

ahora.

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1. RADIACIÓN SOLAR

RELACIONES GEOMÉTRICAS TIERRA-SOL

Órbita de la Tierra alrededor del Sol

Eclíptica: plano de la órbita.Órbita Tierra‐Sol: es elíptica, la distancia Tierra‐Sol varía ligeramente a lo largo del año.Ángulo entre el eje de rotación de la Tierra y la normal al plano de la Eclíptica: 23,45º Fenómeno responsable diferente duración noche/día a lo largo del año.Equinoccios: misma duración día/nocheSolsticio de verano: duración día > 12 h. Solsticio de invierno: duración día < 12 h.

La trayectoria más amplia y elevada sobre la bóveda terrestre tiene lugar en verano

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1. RADIACIÓN SOLAR


Coordenadas solares: definen con precisión la posición del Sol respecto a un observador en un plano horizontal.

Coordenadas horizontales: plano de referencia es el horizonte del observador.

‐Altura solar γ: ángulo que forman los rayos solares sobre una superficie horizontal.

γ:0 a 90 grados

‐Azimut solar ψ: ángulo de giro del Sol medido sobre un plano horizontal (<0 hacia el este, 0 sur, >0 hacia el oeste)

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1. RADIACIÓN SOLAR


Diagrama de trayectorias del Sol: muestra la banda de trayectorias del Sol a lo largo del año.

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1. RADIACIÓN SOLAR

ATMÓSFERA TERRESTRE

La irradiancia extraterrestre se atenúa al atravesar la atmósfera la atmósfera supone un

obstáculo al libre paso de la radiación.

Irradiancia: energía radiante que alcanza una superficie por unidad de aérea y por unidad de tiempo (unidades : W/m2).

Irradiación o Radiación: energía radiante que alcanza una superficie por unidad de área, en un intervalo de tiempo dado; horaria, diaria, etc. (unidades: kJ/m2, MJ/m2).

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1. RADIACIÓN SOLAR


Fenómenos:

Dispersión: la energía incidente es repartida en diferentes direcciones .

Reflexión/Refracción/Difracción

Absorción: la energía dispersada y transmitida es menor que la incidente.

Constante solar: energía que nos llega del Sol enforma de radiación solar, por unidad de área ytiempo. Su valor es variable debido a que ladistancia Tierra‐Sol no es constante.

Valor medio: 1.367 W/m2.

Irradiancia días despejados es de 1.000 W/m2

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1. RADIACIÓN SOLAR


Radiación solar anual 2/3(Radiación directa) + 1/3(Radiación difusa)

Radiación directa: alcanza la superficie manteniendo una línea recta desde el disco solar.

Alcanza su valor máximo cuando la superficie es perpendicular a la

radiación.

Radiación difusa: alcanza la superficie tras haber cambiado de dirección al atravesar la atmósfera.

Responsable de que se reciba radiación en días nublados.

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1. RADIACIÓN SOLAR

SUPERFICIE INCLINADA

Inclinación y orientación óptima

Inclinación óptima: latitud del lugar ‐10 grados (En España ≈ 30 grados)Orientación:preferiblemente sur.

Determinación de inclinación óptima:1. Azimut2. % pérdidas admisible3. Inclinación

• mínima• máxima

4. Corrección para la latitud del lugar.

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1. RADIACIÓN SOLAR

SUPERFICIE INCLINADA

Inclinación y orientación óptima

Inclinación: (latitud del lugar ‐10 grados)Orientación:preferiblemente sur.

Determinación de inclinación óptima:1. Azimut : sur=0º2. % pérdidas admisible: 95‐100 %3. Inclinación

• Mínima: 5 grados• Máxima: 50 grados

4. Latitud del lugar: 40º5. Corrección para la latitud del lugar

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El efecto fotovoltaico

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2. EFECTO FOTOVOLTAICO

CONVERSIÓN DE RADIACIÓN SOLAR EN ENERGÍA ELÉCTRICA

Efecto fotovoltaico: conversión de energía solar en energía eléctrica.

Semiconductores: materiales capaces de presentar conductividad eléctrica bajo ciertas circunstancias. El semiconductor más utilizado en células solares es el Silicio.

Mediante el “dopaje” del Silicio (adición de impurezas) se consiguen semiconductores:

•Tipo N (negativo): dopaje con Boro exceso de e‐. •Tipo P (positivo): dopaje con Fósforo exceso de huecos

La unión entre semiconductor tipo N y tipo P permite la difusión de electrones de uno a otro estableciendo campo eléctrico que restablece el equilibrio.

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CONVERSIÓN DE RADIACIÓN SOLAR EN ENERGÍA ELÉCTRICA

1º Etapa. FotogeneraciónLa célula solar absorbe los fotones de luzincidentes y los convierte en su interior enpares electrón‐hueco. En la interfase entrelas dos capas se crea un campo eléctrico.

2ª Etapa. Separaciónde cargasLos pares electrón‐hueco son separados; loselectrones se mueven hacia un electrodo(+) y los huecos hacia otro (‐), creándoseuna diferenciade potencial.

3ª Etapa: Generación de una corrienteeléctricaLa unión de ambos electrodos mediante unconductor permite la generación de unacorriente eléctrica (DC).

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CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS

La potencia eléctrica de una célula solar, depende directamente de la radiación incidente.

Potencia pico : máxima potencia de una célula solar se determina con una intensidad de irradiación de 1.000 W/m2 y una temperatura de 25 ºC.

La potencia es directamente proporcional al tamaño de la célula.

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Parámetros de una célula solar

Intensidad de corriente:Es función de la radiación incidente y del tamaño de la célula.

Tensión:Es específica del material y para el Silicio es de aproximadamente 0,5V‐0,6V. El voltaje apenas varía con la radiación.

Temperatura:El calentamiento de una célula solar provoca una disminución de su grado de eficiencia.

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Isc: corriente de cortocircuitoUoc: tensión de circuito abierto.MPP: punto de máxima potencia.

(parámetros calculados bajo condiciones estándar: irradiación de 1.000 W/m2 y temperatura de 25 ºC.)

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Influencia de la temperatura:

•El calentamiento de una célula solar provoca una disminución de su eficiencia.•Los módulos fotovoltaicos trabajan en verano a temperaturas entre 40‐70 ºC.

Importante: refrigeración por el viento y emplazamiento.

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TIPOS DE CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS

Tipos de células solares

Células de Silicio cristalino:(tecnologías más utilizadas 80% de la producción)•Silicio Monocristalino:•Silicio Policristalino:

Células de capa fina:•Silicio amorfo•CIS (diseleniurode cobre)•CdTe (teluro de cadmio)•GaAs (arseniuro de galio)

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Células de Silicio monocristalino:• Fabricación Método Czochralski:

• 1ª fase: Formación del lingote.• fundición de Si puro en un crisol con boro.• introducción de un “cristal germen” disposición de los átomos del líquido adoptando estructura cristalina lingote cilíndrico.

• 2ª fase: Corte y tratamiento de las obleas.• enfriamiento corte en finas obleas (3 décimas de mm).• creación unión p‐n: adición de P en una de sus caras. • tratamiento anti‐reflectante (recubrimiento o texturizado)

• 3ª fase: Serigrafiado. Provisión de contactos eléctricos.• adición de “rejilla metálica”.• control de calidad: clasificación células de potencia similar.

•Eficiencia: 13‐17% (tipo de célula con eficiencia más alta).•Tamaño: 6’’.

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Células de Silicio policristalino:• Fabricación

• 1ª fase: Formación del lingote.• fundición de Si puro en un crisol con boro.• solidificación lenta en un molde rectangular.

• 2ª fase: Corte y tratamiento de las obleas.• enfriamiento corte en células policristalinascuadradas.• creación unión p‐n: adición de P en una de sus caras. • tratamiento anti‐reflectante (recubrimiento o texturizado)

• 3ª fase: Serigrafiado. Provisión de contactos eléctricos.• adición de “rejilla metálica”.• control de calidad: clasificación células de potencia similar.

•Eficiencia: 11‐15% (tipo de célula con eficiencia más alta).•Tamaño: 8’’.

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Células de capa fina:

• Fabricación: • fina capa de 1‐2 μm de material semiconductor depositado sobre sustrato rígido o flexible.• tratamiento anti‐reflectante (recubrimiento).• sin conexiones interiores fina capa de óxido transparente.

• Características generales:• menor grado de eficiencia• mayor demanda superficial • mayor eficiencia altas temperaturas• mayor coeficiente de absorción óptica • menor cantidad de material• importante reducción de costes

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•Silicio amorfo• Fabricación: deposición de Si diferentes capas de óxido y contacto metálico.• Rígido/Flexible (permite enrollado).• Eficiencia: 6‐8 %.

•Otras tecnologías• CIS (diseleniuro de cobre)

• Inconveniente: escasez del Indio• Marca comercial: Wurth.

• CdTe (telururo de cadmio) • Fabricación por deposición• Inconveniente: Cd es venenoso• Marca comercial: First Solar.

• GaAs (arseniuro de galio) : aplicaciones especiales.• Células solares orgánicas: en fase de investigación.

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Célula (laboratorio)

Módulo

Si monocristalinocristalina uniforme

24 13‐17 Producción industrial

Si policristalinocristalina uniforme

18 11‐15 Producción industrial

Si amorfo capa fina 11‐12 5‐8 Producción industrial

Diseleniuro de cobre (CIS) capa fina 18 10‐12 Producción industrial

Teluro de Cadmio (CdTe) capa fina 17 9‐10 Poco desarrollo

Arseniuro de galio (GaAs) cristalina 25 ‐ Aplicaciones especiales

Células solares orgánicasprincipio

electroquímico5‐8 ‐ Fase investigación

EstructuraEficiencia (%)

Nivel de desarrollo

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Componentes de una instalación

fotovoltaica

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3. COMPONENTES INSTAL. FOTOVOLTAICA

ESQUEMA GENERAL DE FUNCIONAMIENTO

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MÓDULO FOTOVOLTAICO

Formado por varias células solares interconectadas (en serie y paralelo) para lograr tensiones e intensidades útiles.Estructura de un módulo fotovoltaico:


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Ficha técnica de un módulo fotovoltaico


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Aspectos a considerar:

Garantías: Producto: mínima exigible 2 años.Potencia: 10 años 90% y 25 años 80%.

Diodos bypass: dispositivos alojados en las cajas de conexión de los módulos, conectados en paralelo a cada cadena de células camino alternativo paso corriente.

• protegen las cadenas de células en caso de sombreado; permiten la circulación de la corriente del resto de células. • protegen a los módulos fotovoltaicos en caso de polarización inversa.


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INVERSOR

Dispositivo capaz de convertir la energía de corriente continua generada por los módulos fotovoltaicos en energía de corriente alterna.

Tipos de inversores:

Conexión a red:•Monofásico: 230 V de tensión.•Trifásico: 400 V de tensión.

CON/SIN Transformador

Aislados de la redFuncionan de forma autónoma (sin conexión a la red eléctrica). Utilizados en zonas sin suministro.


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INVERSOR MONOFÁSICO

Ficha técnica de inversor de conexión a red


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INVERSOR TRIFÁSICO

Ficha técnica de inversor de conexión a red


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INVERSOR

Aspectos a considerar: • Eficiencia del inversor: ratio entre la potencia de salida de AC y la potencia de entrada DC.• Euro eficiencia: permite comparar los inversores bajo las mismas condiciones de insolación (europeas). Pondera diversos rangos de carga parcial como % de la carga nominal.

ηEURO

= 0,03η5�

+ 0,06η10�

+ 0,13η20�

+ 0,10η30�

+ 0,48η50�

+ 0,20η100�

FALTA FOTO GRAFICA

Inversores con mayor eficiencia 92‐96%.

Los inversores sin transformador presentan mayores eficiencias.


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INVERSOR

Aspectos a considerar: • Buscador de Punto de Máxima Potencia (MPP‐tracker): permite la obtención del máximo rendimiento de la instalación fotovoltaica. El inversor establece el punto de trabajo en el que el módulo solar suministra la máxima potencia.

El MPP de la instalación varía según las condiciones de la instalación solar: radiación, temperatura, etc.

Medición continua de I y V de la instalación para establecer el punto de trabajo de mayor producción.

Existen inversores con más de un MPP‐tracker mayor rendimiento


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INVERSOR

Aspectos a considerar: • Relación potencia nominal (kWn) vs potencia pico (kWp):

Potencia pico > potencia nominal:mayor rendimiento energético del

inversor.


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INVERSOR

Elección del inversor adecuado:

1. Inversor con/sin transformador: elección del inversor apropiado según tipo de módulo.

2. Adecuación kWp/kWn: consultar parámetros del inversor, adecuar a las posibles pérdidas de la instalación.

3. Condiciones de irradiación irregulares: instalación con distintas inclinaciones/ sombreado inversor con más de un MPP.


Si monocristalinoSi policristalinoCapa fina

Técnología de la célula/ Tipo de módulo

Inversor SIN transformador

Inversor CON transformador

Medida preventiva para evitar:• Efecto de polarización: recombinación de cargas en parte posterior de los módulos. • Deterioro capa conductora: interior del módulo. • Corrientes derivadas de la red.

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SISTEMAS DE MONTAJE

Estructura de soporte de la instalación fotovoltaica

•Según material utilizado •Aluminio: material ligero, no requiere mantenimiento.•Acero: mayor resistencia mecánica, requiere mantenimiento.

•Según emplazamiento de la instalación•Cubierta: estructuras simples .•Suelo : estructuras más complejas, de varias alturas.

•Según mecanismo de funcionamiento•Fija: sin seguimiento de la trayectoria solar.•Móvil: con seguimiento de la trayectoria solar (1 y 2 ejes).


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CABLEADO Y CONEXIONES ELÉCTRICAS

Cableado

Cuadros eléctricos

Corriente alterna

Corriente continua: protección de las cadenas de módulos: fusibles.

Corriente continua


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Cuadros eléctricos

Contador de energía bidireccional

Corriente alterna: interruptores magnetotérmicos y diferenciales.


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CGP: Caja General de Protección

Punto de conexión: determinado por la empresa eléctrica.


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SISTEMA DE MONITORIZACIÓN

Conexión remota con la instalación fotovoltaica

Componentes:•Tarjeta: integrable en el inversor (RS485, Ethernet, GSM/GPRS)•Servidor web/software específico: establece la comunicación con la instalación fotovoltaica a través de un PC.

Utilidades•Registro de parámetros de la instalación: intensidad, tensión, potencia, etc. •Mensajes de alarma: aviso automático si la instalación deja de funcionar vía SMS/email/fax


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EJEMPLO DE DIMENSIONADO DE UNA INST. FOTOVOLTAICA


1. Características de la superficie disponible• Tipo: suelo/cubierta• Orientación/inclinación/obstáculos.• Potencia a instalar según distribución óptima.

2. Elección del módulo fotovoltaico• Potencia (Wp): 230 Wp (ATERSA A‐230)

3. Elección del inversor • Potencia (kWn): 100 kWn (Power Electronics Free Sun FS0100)

4. Configuración módulo‐inversor• Número de módulos en serie

Rango de tensiones del inversor: 450‐820 VTensión (Vmpp) módulo fotovoltaico: 29,65 V

CubiertaSuperficie: 2.000 m2

Potencia aprox: 100 kW


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4. Configuración módulo‐inversor• Número de módulos en serie

• Número de baterías de módulos en paraleloIntensidad máxima inversor: 258 AIntensidad (Imp ) módulo fotovoltaico: 7,76 A

27 módulos

16 módulos

33 baterías


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4. Configuración módulo‐inversor• Algunas configuraciones posibles

Nº módulos Nº baterías Nº módulos Potencia Relaciónserie paralelo total pico (Wp) kWp/kWn19 25 475 109.250 109%19 26 494 113.620 114%19 27 513 117.990 118%20 24 480 110.400 110%20 25 500 115.000 115%20 26 520 119.600 120%21 23 483 111.090 111%21 24 504 115.920 116%21 25 525 120.750 121%22 22 484 111.320 111%22 23 506 116.380 116%22 24 528 121.440 121%

Configuración elegida: 25 baterías de 21 módulos en serie


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Tipos de instalaciones fotovoltaicas

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4. TIPOS DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS

Instalaciones que garantizan abastecimiento eléctrico independiente de la red eléctrica.

Esquema general:

Componentes:1. Paneles fotovoltaicos : generador de

energía eléctrica en corriente continua.2. Regulador: dispositivo encargado de

ajustar la energía eléctrica para la carga de las baterías.

3. Baterías: elementos encargados del almacenamiento de energía.

4. Inversor: convertidor de DC/AC

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AISLADOS

Aplicaciones:

DomésticaSeñalización pública

Iluminación pública

Electrificación rural

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE CONEXIÓN A RED

Huerto solar

Instalaciones fijas

Características:• Ubicadas sobre suelo.• Inclinación fija: óptima +/‐30 grados• Orientación óptima: SUR• Ratio: 600‐700 kWp/ha• Potencia: normalmente > 100 kW• Rendimiento: 1300‐1500 kWh/kWp

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Huerto solar

Instalaciones con seguidor: 1 eje

Características:• Ubicado sobre suelo• Inclinación fija: 20‐30 grados• Orientación variable: seguimiento

azimutal• Ratio: 200‐300 kWp/ha• Potencia seguidor: 3‐25 kW• Potencia total: normalmente > 100 kW• Rendimiento: 1600‐1900 kWh/kWp

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Huerto solar

Instalaciones con seguidor: 2 ejes

Características:• Ubicado sobre suelo• Inclinación variable: seguimiento

zenital• Orientación variable: seguimiento

azimutal• Ratio: 200‐300 kWp/ha• Potencia seguidor: 3‐ 25 kW• Potencia total: normalmente > 100 kW• Rendimiento: 1800‐2200 kWh/kWp

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Huerto solar

Fotovoltaica de concentración

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Edificación

Integración arquitectónica

Características:• Cumple doble función: energética y arquitectónica.• Inclinación y orientación: determinada por su

ubicación en el edificio.• Ratio: 130‐160 W/m2

• Potencia normalmente <20 kW.• Rendimiento: 800‐1200 kWh/kWp

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Edificación

Superposición

Características:• Módulos fotovoltaicos paralelos a la

envolvente del edificio.• Inclinación y orientación:

determinada por su ubicación en el edificio.

• Ratio: 130‐160 W/m2

• Potencia normalmente < 20 kW.• Rendimiento: 800‐1200 kWh/kWp


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Edificación

Caso general

Características:• Módulos fotovoltaicos con inclinación y

orientación fija. • Inclinación: normalmente 30 grados.• Orientación: normalmente sur.• Ratio: 40‐60 W/m2

• Potencia: 5 kW ‐ 2MW• Rendimiento: 1200‐1500 kWh/kWp


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Aspectos a considerar:

Producción anual esperada de una instalación fotovoltaica:

Epv (kWh /año) = H (α,β) [kWh/m2año]*P[kWp]*PR[kW/m2]/[kWp/m2]

•Epv: Producción anual esperada de una instalación fotovoltaica.•H (α,β): productividad para una orientación α (azimut) e inclinación β (tablas).•P: potencia pico de la instalación .•PR (Performance Ratio): eficiencia de la instalación en condiciones reales de trabajo, es función de:

•la temperatura•la eficiencia del cableado•Las pérdidas por dispersión de parámetros y suciedad•Las pérdidas por errores de seguimiento del puto de máxima potencia•La eficiencia energética del inversor


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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE CONEXIÓN A RED; Ejemplo PR


MES DIA S FS Fpol FCcc FCca FD Finv FT PREn e 31 0,990 0,990 0,980 0,990 0,980 0,946 0,940 0,829Feb 28 0,990 0,990 0,980 0,990 0,980 0,941 0,940 0,824Mar 31 0,990 0,990 0,980 0,990 0,980 0,941 0,930 0,815Abr 30 0,995 0,980 0,980 0,990 0,980 0,936 0,930 0,807May 31 0,995 0,980 0,980 0,990 0,980 0,936 0,920 0,798Jun 30 0,995 0,980 0,980 0,990 0,980 0,930 0,910 0,785Jul 31 0,995 0,980 0,980 0,990 0,980 0,925 0,910 0,781Ago 31 0,995 0,980 0,980 0,990 0,980 0,925 0,910 0,781Sep 30 0,995 0,980 0,980 0,990 0,980 0,930 0,910 0,785Oct 31 0,990 0,990 0,980 0,990 0,980 0,936 0,920 0,802No v 30 0,990 0,990 0,980 0,990 0,980 0,941 0,940 0,824Dic 31 0,990 0,990 0,980 0,990 0,980 0,946 0,940 0,829Promed io 365 0,993 0,985 0,980 0,990 0,980 0,936 0,925 0,805

Donde: FS es el factor de Sombras y orientación, Fpol: el Factor de polución ambiental, FC los factores de pérdidas en lado de continua y de alterna,FD una estimaciónde pérdidas por la dispersión de valores de los módulos, Finv el factor de pérdidas por el inversor

Rendimiento energét ico

Ta bla de estima ción d e rend imien tos por div erso s fa ctores

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Producción anual esperada de una instalación fotovoltaica:

PVGIS: PhotovoltaicGeographical Information System

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/


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Ponemos la energía ��

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Gracias por vuestra atención.

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