Energía Solar Fotovoltaica - Laboratorio Tandar
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Aunque no lo veamos, el Sol siempre está Julio C. Durán [email protected] – www.tandar.cnea.gov.ar Departamento Energía Solar Gerencia Investigación y Aplicaciones – GAIyANN Comisión Nacional de Energía Atómica 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Energía Solar Fotovoltaica en la Argentina y en el Mundo Actividades en la CNEA Julio C. Durán [email protected] – www.tandar.cnea.gov.ar Departamento Energía Solar Gerencia Investigación y Aplicaciones – GAIyANN Comisión Nacional de Energía Atómica 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán La Energía Solar • Fuente inagotable, esencialmente no contaminante pero intermitente y de baja intensidad Intermitencia Acumulación diaria (baterías) Acumulación estacional (H2) Interconexión a red • Potencia típica al mediodía: 1 kW/m2 • Promedio anual de energía solar: 3 – 4 kWh/(m2.día) ⇒ Conversión directa de la energía solar ∗ Conversión Fototérmica ∗ Conversión Fotovoltaica ⇒ Conversión indirecta de la energía solar ∗ Energía Eólica ∗ Energía Hidráulica 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Ejemplo en Argentina • Radiación promedio al Norte del Río Colorado 4,5 kWh/(m2.día) • Eficiencia de conversión de energía solar en electricidad 15% • Factor de ocupación del terreno 50% • Demanda eléctrica año 2010: 115 × 109 kWh • Área total requerida: 934 km2 • Resulta un área de ≅ 60% a la que cubre el espejo de agua de la represa Yaciretá (1600 km2 con la cota de 83 msnm), generando 6,7 veces más energía 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Conversión Fotovoltaica • Generación directa de electricidad – Celda solar de Si cristalino • 1958 → Vanguard I, paneles fotovoltaicos con celdas de silicio p-n (eficiencia ≅ 10%) • Hasta 1973 → usos espaciales y militares • Crisis del petróleo → usos terrestres de FV • Década del ’90, nuevo impulso por cuestiones ecológicas 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Materiales de Interés FV • c-Si • mc-Si • a-Si:H • µc-Si • GaAs • CdTe • Cu(In,Ga)Se2 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Celdas de c-Si (mono y poli) Ventajas • • • • • 2o elemento más abundante en la corteza terrestre (25%) Características eléctricas, químicas y mecánicas uniformes Eficiencia de celdas relativamente alta Estabilidad en la eficiencia (> 30 años) Tecnología altamente desarrollada e industria bien establecida Desventajas • Material relativamente caro • Prop. electrónicas no óptimas (baja absorción de luz) • Tamaño de celdas limitado 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán C irc uito equiva lente If = Fuente de corriente que representa la fotogeneración Rj = Impedancia no lineal dada por la juntura Rs = Resistencias serie Rp = Resistencias paralelo Rc = Resistencia de carga asociada al circuito externo 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán C elda s M o no -juntura y M ultijuntura 2,4 2,4 2,2 2,2 2,0 Distribución de energía [W/m nm] 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,2 0,0 200 1,8 2 1,8 2 Distribución de energía [W/m nm] 2,0 400 600 800 1000 1200 1400 Longitud de onda (nm) 1600 1800 0,0 200 2000 400 600 800 1000 1200 1400 Longitud de onda (nm) 1600 1800 2000 Energía del Gap: + ηmax teórico= 37 % V (I ) = m ∑ V (I ) i= 1 - i ηmax teórico= 56 % 08/04/2011: Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Para energías de GapEnergía optimas Distribución de las diferentes tecnologías 100 Otros CIS CdTe a-Si/µc-Si c-Si cinta c-Si poli c-Si mono Participación en el mercado [%] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Fuente: Envision – Solar Energy Solutions, en base a datos de Photon International Participación en el Mercado FV por Países en el año 2008 8,29% 9,19% 12,59% China Alemania 13,39% Japón Taiwan EEUU Otros (no Top-10) 39,26% 17,28% 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Emisión de CO2 en el Ciclo de Vida 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Tiempo de Retorno de la Energía Módulos de Si 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Nuevas tecnologías Nanomateriales Celdas CIGS flexibles • “Dye-sensitized solar cells”: ánodo fotosensible + electrolito • Celdas orgánicas • FV con radiación solar concentrada 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán APLICACIONES (1) • Sistemas aislados (stand-alone) – Espaciales – Electrificación rural • • • • Viviendas unifamiliares Electrificación centralizada en núcleos rurales Puestos sanitarios, escuelas y centros comunales Puestos de policía y fronteras – Aplicaciones agrícolas y ganaderas • • • • Bombeo de agua para riego o ganado Invernaderos (automatización de ventanas e iluminación) Electrificación de granjas (iluminación, motores, etc.) Electrificación de cercas 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán APLICACIONES (2) – Telecomunicaciones • • • • • • Telefonía móvil y telefonía rural vía satélite Repetidores de radio y televisión Postes de emergencias en carreteras Telemetría Radares Radioenlaces – Iluminación pública – Bombeo de agua – Protección catódica 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán APLICACIONES (3) – Monitoreo remoto • Climático • Sísmico – Señalización • • • • Faros y boyas de uso marítimo y aéreo Señalización vial en ciudades y rutas Pasos a nivel de ferrocarriles Plataformas petrolíferas – Productos de consumo • Relojes • Calculadoras – Cargadores de baterías – Autos solares 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán APLICACIONES (4) • Sistemas interconectados a red – Integrados a edificios (“PV in buildings”) – Centrales de potencia Mercado esencialmente subsidiado Se espera que sea competitivo en 3-7 años 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Sistema Fotovoltaico • Módulo FV – Corriente continua (12/24/48 V) → 36/72... celdas de c-Si conectadas en serie – Watt pico: potencia al ser iluminados con 1 kW/m2 (mediodía solar de un día despejado) – Potencias típicas: 80-200 Wp (320-800 Wh/día) • Sistema FV – Módulos FV – BOS (“balance of system”): baterías, controladores de carga, conversores CC-AC, estructuras, sistema de seguimiento 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Sistema FV aislado 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Sistema FV conectado a la red Universidad Nacional del Nordeste (gentileza Luis Vera) 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Sistema FV conectado a red en la Argentina 2.250 Wp (gentileza ALDAR S.A. - Argentina) 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Atrio en estación de tren – Alemania FV en ventanas – Holanda FV en techos – Colorado – EEUU 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Capacidad instalada de generación eléctrica por energías renovables acumulada al año 2008 (FV sólo conectado a red) 300 Geotérmica FV (red) Biomasa Hidro (pequeña escala) Eólica 200 • No incluye hidroeléctrica a gran escala: 860 GW 150 100 • Capacidad total mundial: 4700 GW 50 n Ja pó a di In E sp añ a ia m le E E U an U na C hi 7 -2 E U A .d es ar T ro ot l lo al 0 P Capacidad instalada [GW] 250 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Fuente: REN21 Capacidad FV instalada al 2008 - sistemas conectados a la red 25,48% 15,21% 5,64% Alemania España Japón California UE (resto) 41,7% Corea del Sur Resto del Mundo 5,79% 2,7% 3,47% Fuente: REN21 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Potencia FV Instalada Anualmente Instalaciones Anuales 2012: 14 GW D e u ts c h e B a n k F IT T R e s e a r c h , F e b r u a r y 2 0 1 0 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán “Grid Parity” 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Módulos FV Precios e Instalaciones Anuales S ilic o n s u p p ly p r o b le m 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán España – Situación Actual • Marzo 2010: la energía eólica aportó el mayor % de generación de electricidad entre todas las fuentes (21%) • 2010: las E.R. representaron el 13,2% de la energía total • 2010: la generación FV representó el 2,1% del total 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Escenarios y políticas de promoción Escenarios Futuros • Unión Europea: 20% de E.R. para 2020 • Argentina: Ley 26190 – 8% de la matriz energética (eléctrica) nacional con E.R. en 10 años (2006-2016) Acciones políticas 5. Sistemas de primas “Feed in tariff” 6. Eliminación de subsidios “directos” e “indirectos” a los combustibles fósiles 7. Mecanismos de cumplimiento obligatorio que aceleren el mercado FV 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Mercado Argentino 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 07 20 08 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 19 Potencia (kWp) Información suministrada por Alejandro Zitzer, Numericon S. A Año Ventas en Argentina Exportación 2010-11: 1,2 MW (San Juan) + 2,8 MW (PERMER) 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Proyecto Energías Renovables en Mercados Rurales – PERMER • Financiado con fondos del Banco Mundial (30 M U$S) y del Fondo Mundial del Medio Ambiente (GEF) (10 M U$S). En operación desde Octubre de 1999. ~5.000 viviendas (~500 kWp) ~1.000 servicios públicos, en su mayoría escuelas (~500 kWp) Catamarca, Chaco, Chubut, Jujuy, Misiones, Neuquén, Salta, San Juan, Sgo. del Estero, Río Negro, Tucumán 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Hechos recientes importantes • Licitación en San Juan: 1,2 MW FV • Licitación ENARSA: 1000 MW FR – 20 MW FV • Fuentes de Financiación (PICTO, FONARSEC) • Nuevos proyectos: La Rioja, San Juan,... 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán DEPARTAMENTO ENERGÍA SOLAR ANTECEDENTES Conversión Fototérmica 1979 Concentrador Fijo a Espejo Facetado 1986 Concentrador Cilíndrico-Parabólico 1989 Estudio de sitio para una central de potencia Conversión Fotovoltaica 1986 Crecimiento de Si monocristalino (Czochralski) 1992 Celdas solares de Si 1995 Dispositivos solares para satélites 1997 Estudios de daño por radiación 2001 Plan Espacial Nacional 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Terrestres – I&D en celdas solares (Si y III-V) para aplicaciones espaciales y terrestres – Técnicas de caracterización de celdas solares – Desarrollo de radiómetros – Asesoramiento tecnológico – Normas Iram – Sistemas FV interconectados a red FORMACIÓN DE RECURSOS HUMANOS Tareas de divulgación 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Espaciales – Misión Aquarius/SAC-D – CNEA-CONAE – Misiones SAOCOM 1A y 1B – CNEA-CONAE – Sensores Solares para satélite brasileño – CNEAINVAP – Experimento en satélite de comunicaciones – CNEAARSAT – Evaluación de la posibilidad de proveer los paneles solares para ARSAT-3 – CNEA-ARSAT 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Celdas de posicionamiento del satélite y panel para ensayos 08/04/2011: Solar Fotovoltaica – J.C. Durán EXPERIENCIA EN ELEnergía SATÉLITE SAC-A MISIÓN ESPACIAL SAOCOM •Misión SAOCOM - CONAE •RADAR SAR Banda L Polarimetrico •Monitoreo Radar y Sistema Emergencias SIASGE •Masa: 3000 kg •Potencia: 1600 w 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Aquarius/SAC-D 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Aquarius/SAC-D OBJETIVO CIENTÍFICO • • Obtención de nueva información climática a partir de – medición de salinidad – evaluación de la circulación y procesos de mezcla en el océano Detección de focos de alta T en la superficie terrestre – obtención de mapas de riesgo de incendios – humedad del suelo para alerta temprana de inundaciones. CARACTERÍSTICAS DE LA MISIÓN • • • • • Peso del satélite: 1.600 kg Órbita: Heliosincrónica 657 km Período orbital: 98 min. (eclipses de hasta 20 min.) Lanzador: Delta II Fecha estimada de lanzamiento: Junio 2011 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Grupo de Trabajo – Departamento Energía Solar – GIyA – GAIyANN – Departamento ENDE – Departamento Materiales – Gerencia Química 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Laboratorio de Integración Área Limpia Clase 10.000 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Integración de Panel Solar Sustrato Interconector CELDAS SOLARES Celda DIODOS DE PASO SOLDADURA DIODO A CARA POSTERIOR SUSTRATO INTERCONECTORES CABLES, TEMORESISTENCIAS, DIODOS DE BLOQUEO, RESISTENCIAS, BUSES, CONECTORES WELDING CARA FRONTAL VIDRIOS PEGADO VIDRIO CLASIFICACIÓN CIC CABLEADO, PEGADO DE COMPONENTES, ETC. INTERCONECTORES TERMINALES SOLDADURA POSTERIOR Y ARMADO SUBSTRING PEGADO SUBSTRINGS AL SUSTRATO SOLDADURA DE INTERCONECTORES TERMINALES A BUSES PANEL SOLAR 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Aseguramiento de la Calidad (QA) IDENTIFICACIÓN Y TRAZABILIDAD • Lista de identificación de partes – Base de Datos • Trazabilidad de las celdas solares • Hojas de Ruta con procedimientos y operadores INSPECCIONES Y SIMULACIÓN • Inspección visual – Criterios PASA/NO PASA • Verificación eléctrica • Simulación del funcionamiento en órbita 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Procesos de Soldadura Blanda y “Welding” Sistemas de Posicionamiento y Soldadura 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Procesos de Soldadura Blanda y “Welding” Ensayos de Tracción 90 80 70 frecuencia 60 50 40 30 20 10 0 400 600 800 1000 clase (g) 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán 1200 1400 1600 Interconectores Plateado de Ko y Fabricación de Interconectores 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Sistemas y Dispositivos de Pegado Pegado de Cubierta de Vidrio en Cámara de Vacío 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Ensayo Eléctrico • Simulador Solar “Close-Match” – AM0, 1367 W.m-2 – 300-1800 nm, Multi-fuente (Xe + W) – Celdas solares triple juntura y monojuntura calibradas • Carga Electrónica + Sistema de Adquisición de Datos – Método de 4-puntas – Curva I-V completa • Base Termostatizada – T = (25/28 +/- 0.5)°C – Soporte por Vacío 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Ensayo Eléctrico Verificación Eléctrica de Cadenas en el Panel Solar – Lámpara de Xe pulsada (flash profesional) – Osciloscopio y carga electrónica 3.5 3.0 Corriente [A] 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 10 20 30 40 50 Te ns ión [V] EEF Simulación 28ºC Simulación 22ºC 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Equipos de Soporte en Tierra (GSE) Contenedor de Doble Piso • Sensores de choque • Sensores ambientales (T y HRA) •Cápsula de vapor • Bolsa de gel absorbente • Cobertor de film de 200 µm 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Cámara de Ensayos EDRA conectada al Acelerador TANDAR 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Cámaras para ciclado térmico 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán METODOLOGÍA DE DESARROLLO PROGRAMA DE CALIFICACIÓN E INTEGRACIÓN • Modelos de Desarrollo – Paneles Solares #1, #2 & #3 – Integración y ensayos (mecánicos y térmicos) • “Engineering Qualification Model” (EQM) Estructura/mecanismos = FM, parcialmente poblado de celdas solares (20%) – Ensayos ambientales (mecánicos y térmicos) de calificación • “Flight Model” (FM) – Ensayos ambientales (mecánicos y térmicos) de aceptación (“Protoflight levels”) 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Configuración de los Paneles Solares • 2 Paneles Solares (aprox. 9 m2) • Celdas Solares ATJ Emcore InGaP-InGaAs-Ge 27.5% • 143 cadenas de 18 celdas (2574 celdas) • 2 interconectores por celda • 1 diodo de paso por celda • Cubierta de vidrio (100 µm) en cada celda • 1 diodo de bloqueo por cadena 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Paneles Solares del Aquarius/SAC-D en el Laboratorio de Integración 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Panel Solar del SAC-D en el “shaker” – LIT – Brasil 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Manipulación de los paneles para el 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán armado final en Vandenberg, EEUU INTERCONEXIÓN DE SISTEMAS FV A LA RED ELÉCTRICA EN AMBIENTES URBANOS 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Sistema FV conectado a la red 1 Generador solar, 2 Caja de conexión del generador, 3 Inversor, 4 Contador bidireccional de consumo e inyección, 5 Conexión a red, 6 Punto de consumo 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán 4-1 Evaluación de superficie en techos de la CABA aptos para sistemas FV Ciudad Autónoma de Buenos Aires Detalle Sup. Total C.A.B.A. Sup. Espacios Verdes Sup. Calles y Avenidas Sup. Neta Sup. Techos Considerando 25% (techos al Norte) Sup. Neta Paneles Solares 50% (pérdidas por espaciamiento) km 2 202.04 16.9 29 156.1 35 % Sup. Total 100.0% 8.4% 14.4% 77.3% 17.3% 4.3% 4.4 Nota : no se consideraron las superficies de fachadas de edificios Fuente: R. Fernández, “La Energía Solar Fotovoltaica: Sistemas Fotovoltaicos integrados a Red en la Ciudad de Buenos Aires”, Jornadas sobre Energías Renovables para la Ciudad de Buenos Aires en el Marco del Cambio Climático, Defensoría del Pueblo de la C.A.B.A., 27/09/2010 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán 2.2% Consumo anual de energía en la CABA y aporte de sistemas FV conectados a Red Demanda en CABA (MWh) Rad. Global diaria (kWh/(m2.día)) Superficie neta paneles solares (m2) 2 Potencia Sistema FV - 130 W/m (MW) Energía producida sistemas FV (MWh) % de Energía generada con sistemas FV Ton CO2 evitadas (0,6 Ton/MWh) Anual 11927108 4.51 4375000 568.8 922800 7.74% 553678 Fuente: R. Fernández, “La Energía Solar Fotovoltaica: Sistemas Fotovoltaicos integrados a Red en la Ciudad de Buenos Aires”, Jornadas sobre Energías Renovables para la Ciudad de Buenos Aires en el Marco del Cambio Climático, Defensoría del Pueblo de la C.A.B.A., 27/09/2010 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Posibles Acciones • Planes iniciadores, por ej. “1.000 Techos” del Senado Alemán en los 90´s • Planes de estímulos iniciales (subsidios, tarifa, etc.), hasta que la tecnología alcance su “punto de paridad” • Estudios de “acceso” para optimizar la red • Marco regulatorio eléctrico que permita la inyección y comercialización de energía desde viviendas 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Objetivo Principal • Instalación y evaluación de sistemas FV distribuidos e interconectados a la red eléctrica en áreas urbanas y periurbanas ⇒ Inyección de energía eléctrica a la red – Edificios públicos (UNSAM, CNEA, escuelas,…) – Conjunto de viviendas unifamiliares 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Motivación • Hasta ahora, FV en el país limitado casi exclusivamente a aplicaciones en áreas rurales aisladas. • Plan “iniciador”. • Los centros urbanos concentran la casi totalidad de la demanda eléctrica del país y disponen en su gran mayoría de insolación satisfactoria que permite encarar un programa gradual de generación distribuida (GD) mediante FV. 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Comentarios Finales • Mercado FV Mundial actual – – – – – – – Rápido crecimiento de FV integrado a viviendas en red Capacidad de producción global superior a 10 GW/año Precio de los módulos < 2 U$S/W (1 U$S/W??) 80% Si mono o multicristalino Participación cada vez más relevante de China Importante avance de celdas de película delgada (CdTe) Costo competitivo con fuentes convencionales en 3-7 años??? • > 2.000 millones de personas en el Mundo sin energía eléctrica ⇒ mercado potencial para FV • FV en la Argentina – I&D y RRHH en el tema, insuficientes – Escasa presencia de FV y sólo en aplicaciones aisladas – Se requieren políticas agresivas que impulsen gradualmente la incorporación de renovables 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán Muchas gracias! Julio C. Durán [email protected] – www.tandar.cnea.gov.ar Departamento Energía Solar Gerencia Investigación y Aplicaciones (ex-Departamento de Física) Comisión Nacional de Energía Atómica 08/04/2011: Energía Solar Fotovoltaica – J.C. Durán
