Diapositiva 1 - Ciencias Energéticas y Fluídicas.

GENERALIDADES DE CENTRALES
SOLARES FOTOVOLTAICAS
Ismael Antonio Sánchez
Depto. de Ciencias Energéticas
¿Qué estudiaremos?
•
•
•
•
Estructura del Sol
Constante Solar
Geometría Sol Tierra y sus efectos
Dirección de la Radiación Directa
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
El Sol
• El Sol se considera como
una esfera gaseosa de
1.39x106 km de diámetro
• 110 veces el diámetro de
la Tierra
El sol tiene una
temperatura efectiva
de cuerpo negro de
5762 K. Esa es la
temperatura de un
cuerpo negro radiando
la misma cantidad de
energía que el sol.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
El Sol
El sol es en efecto un reactor de fusión
continua, con sus gases constituyentes
retenido por fuerzas gravitacionales
La reacción de fusión más importante
es en la que el hidrógeno (v.gr. cuatro
protones) se combinan para formar
helio (v.gr. un núcleo). Como la masa
del núcleo de helio es menor que la de
los cuatro protones, existe una pérdida
de masa en la reacción, la cual se
convierte en energía.
4H  He  energia
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
LA CONSTANTE SOLAR
Esta pérdida de masa se transforma en energía, se ha calculado que el Sol
pierde cada segundo 4.2 millones de toneladas de materia que se transforma en
energía.
Deduciendo de la famosa ecuación de Einstein ( E = m . c2 )
E = 4.2x109 kg x (3x108 m/s)2
E = 3.78x1026 J/s
Como la Tierra dista del Sol 149 millones de kilómetros, calculamos lo que
recibe en un metro cuadrado.
Potencia producida por el Sol / superficie esférica
= 3.78x1026 W / (4 x 149x109 m)2
= 1,353 W/m2
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Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Geometría Sol Tierra
• La excentricidad de la elipse, es aproximadamente igual a
0.017. Dada esta excentricidad, la órbita terrestre se puede
asimilar a una circunferencia de radio 1 UA.
• No obstante, a lo largo del año, la distancia Tierra-Sol, r,
varía entre un valor mínimo de 0.983 UA en el paso por el
perihelio (aproximadamente el día 3 de enero), y un valor
máximo de 1.017 UA en el paso por el afelio
(aproximadamente el 4 de julio)
• Estas variaciones originan una oscilación anual de ± 3% en
la cantidad de radiación solar recibida por la Tierra.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Solsticio de Invierno 21 de diciembre
(-23.45°)
δ
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Solsticio de Verano 21 de junio
(23.45°)
δ
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
6
JUN
DIC
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
LOS COMPONENTES DE LA RADIACIÓN SOLAR
Energía inagotable delDepto.
Sol Ciencias
2-3 Energéticas y Fluídicas
• Radiación Directa: es la radiación solar que incide
sobre la superficie de la Tierra sin haber sido afectada
(dispersada) por la atmósfera.
• Radiación Difusa: Es la radiación solar recibida desde
el sol después que su dirección ha sido cambiada
debido a efectos de reflexión, difusión y absorción de
la materia atmosférica.
• Radiación total: Es la suma de la radiación directa y
difusa sobre una superficie.
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Dirección de la Radiación Directa
 Latitud ф: Es la posición
angular de un punto de la
tierra medido hacia el norte o
el sur desde el ecuador (-90° ≤
ф ≤ 90°). Ángulo hacia el
Norte es positivo. La latitud de
San Salvador es +13.63°.
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Dirección de la Radiación Directa
• Declinación δ:Es el ángulo entre el plano del
ecuador (plano ecuatorial) y el plano que une
el centro de la Tierra con el centro del Sol
(eclíptica).
• Hacia el Norte se considera positivo.
• La declinación del sol cambia, a través del año,
desde -23.45° hasta 23.45°; debido al
movimiento de traslación de la tierra
alrededor del sol.
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Dirección de la Radiación Directa
• Ángulo de Incidencia θ: Es el ángulo entre la
dirección de la radiación directa incidiendo
sobre una superficie plana y la normal de
dicha superficie.
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Ángulo de Incidencia θ
Ɵ
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Dirección de la Radiación Directa
• Ángulo de inclinación β: Es el ángulo entre el
plano de la superficie en cuestión y la
horizontal, y varía desde 0° hasta 180°.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Ángulo de inclinación β
β
β
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Dirección de la Radiación Directa
• Ángulo acimutal γ: Es la desviación de la
proyección sobre un plano horizontal de la
normal a la superficie sobre el meridiano
local, con 0° hacia el Sur, Este negativo y Oeste
positivo.
• Varía desde -180° hasta 180°.
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Ángulo acimutal γ
N
E
O
γ
S
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DIRECCIÓN DE LA RADIACIÓN DIRECTA
N 180°
O 90°
Panel
αs
β
γs
γ
S 0°
E -90°
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Dirección de la Radiación Directa
• Horas de sol o Duración del día (N): la
cantidad de horas que transcurren desde que
la altitud solar en la mañana es 0° y vuelve a
ser 0° en la tarde.
El día más corto es el de solsticio de invierno, 21
de diciembre, y el más largo en el solsticio de
verano, 21 de junio.
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SOLARIMETRÍA
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
¿Qué estudiaremos?
•
•
•
•
Medición de la Radiación Solar
Irradiancia e Irradiación
Brillo Solar
Potencial de Energía Solar en El Salvador
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
SOLARIMETRIA
• Para cuantificar la disponibilidad de energía solar en El
Salvador se registra el brillo solar, la irradiancia y la
irradiación solar ó radiación solar).
• Los parámetros anteriormente mencionados
constituyen la base para la mayoría de las actividades
relacionada con el desarrollo de modelos y para la
investigación aplicada (sistemas fotovoltaicos, solares
térmicos y otras aplicaciones).
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
RADIACION SOLAR
• Irradiancia (W/m2) : Es la rapidez con la
que la energía radiante incide sobre la
unidad de área de una superficie.
• Irradiación ((kWh/m2) o (J/m2)): Es la
energía incidente sobre la unidad de área
de una superficie. Se calcula por la
integración de la irradiancia dentro de un
tiempo específico, usualmente una hora o
un día.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
IRRADIANCIA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO
Cielo nublado
Principalmente radiación difusa
Cielo despejado, sol
Principalmente radiación directa
Irradiancia W/m2
Energía inagotable delDepto.
Sol Ciencias
2-5 Energéticas y Fluídicas
BRILLO SOLAR (n):
Representa el número de horas durante las cuales
el nivel de irradiancia es superior a los 150 W/m2 y
es capaz de producir efectos útiles (calentar o
generar electricidad).
NO CONFUNDIR CON
Horas de sol o Duración del día (N): la
cantidad de horas que transcurren desde
que la altitud solar en la mañana es 0° y
vuelve a ser 0° en la tarde.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
LOS COMPONENTES DE LA RADIACIÓN SOLAR
Energía inagotable delDepto.
Sol Ciencias
2-3 Energéticas y Fluídicas
http://cef.uca.edu.sv/index.php?rutina=proyectos
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Radiacion Solar Global El Salvador (kWh/m2 dia)
Ahuachapan
725 msnm
Nueva
Concepción
320 msnm
Las Pilas
1960 msnm
Montecristo
1851 msnm
San Salvador
700 msnm
Apastepeque
570 msnm
La Carrera
75 msnm
Solar
Extraterrestre
Ene
5.08
4.78
3.75
4.49
4.77
4.60
4.91
8.33
Feb
5.48
5.26
4.06
4.77
5.23
5.18
5.35
9.17
Mar
5.81
5.56
4.49
4.76
5.43
5.32
5.54
9.98
Abr
5.62
5.47
4.25
4.15
5.41
5.10
5.20
10.47
May
5.17
5.04
3.79
3.53
4.74
4.82
4.82
10.53
Jun
4.97
5.09
3.74
3.54
4.89
4.66
4.80
10.45
Jul
5.61
5.38
4.12
4.70
5.45
5.12
5.37
10.44
Ago
5.30
5.42
4.24
3.98
5.08
5.14
5.42
10.43
Sep
4.61
4.97
3.33
3.26
4.56
4.57
4.82
10.10
Oct
4.79
4.97
3.58
3.83
4.58
4.46
4.81
9.36
Nov
4.93
4.80
3.41
4.18
4.76
4.55
4.76
8.50
Dic
4.83
4.57
3.47
4.15
4.71
4.38
4.69
8.06
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
DISTRIBUCIÓN MUNDIAL DE LA IRRADIACIÓN
SOLAR EN KWH/M²
No determinado
Energía inagotable delDepto.
Sol Ciencias
2-7 Energéticas y Fluídicas
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
ACOPLADOS, AVANCES
TECNOLOGICOS Y NUEVAS
NORMAS TÉCNICAS
EL FUNCIONAMIENTO DE UNA INSTALACIÓN
FOTOVOLTAICA CONECTADA A 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
Depto. Ciencias
4-1 Energéticas y Fluídicas
PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD EN UNA
URBANIZACIÓN SOLAR
Depto. Ciencias
Suministro energético hoy y en el futuro
1-9 Energéticas y Fluídicas
FOTOVOLTAICA: INSTALACIÓN EN EL CAMPO O
INTEGRADA EN EDIFICIOS
Depto. Ciencias
Suministro energético hoy y en el futuro
1-10 Energéticas y Fluídicas
EL FUTURO DEL SUMINISTRO ENERGÉTICO:
DESCENTRALIZADO Y AUTOSUFICIENTE
Depto. Ciencias
Suministro energético hoy y en el futuro
1-16 Energéticas y Fluídicas
MERCADOS NACIONALES PARA PLANTAS FOTOVOLTAICAS
Plantas FV de nueva instalación (MWp/a)
ACOPLADAS A LA RED
Japón
Alemania
EE. UU.
Potencia FV acumulada
de Japón 1100 MW (2004)
Potencia FV acumulada
de Alemania 760 MW (2004)
Potencia FV acumulada
de EE. UU.
270 MW (2003)
Depto. Ciencias
Suministro energético hoy y en el futuro
1-19 Energéticas y Fluídicas
INSTALACIÓN CONECTADA A RED
Gastos Generales
Módulos fotovoltaicos
Montaje
Cableado
Inversor y medida
Estructura soporte
Depto. Ciencias
Suministro energético hoy y en el futuro
1-21 Energéticas y Fluídicas
CARACTERÍSTICAS DEL PANEL SOLAR
Y LAS TECNOLOGÍAS DISPONIBLES
Ismael Antonio Sánchez
Depto. Ciencias Energéticas
Efecto Fotovoltaico
• La mayoría de celdas solares están formadas de laminas
de silicio, recubiertas (dopadas) en las caras por fósforo
(tipo n -), que posee exceso de electrones, y boro (tipo p
+), deficiencia de electrones, de esta forma se crea un
semiconductor, los electrones pueden fluir en la celda
solamente de la capa p hacia la n. Cuando la luz solar
incide sobre la celda, un fotón libera un electrón de la
estructura del fósforo, ese electrón puede fluir hacia la
capa de boro si se completa entre ellas un circuito
eléctrico.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Funcionamiento de una celda solar
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
• Además las celdas solares están formadas por una malla
metálica superior que recolecta y transfiere los electrones
del semiconductor a la carga externa y otro contacto
inferior para completar el circuito eléctrico. También en la
parte superior de la celda hay un vidrio u otro tipo de
material encapsulante transparente para sellarla y
protegerla de las condiciones ambientales, y una capa
antirreflectante para aumentar el número de fotones
absorbidos.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Tecnología de paneles fotovoltaicos
Cristalinos
• El material más importante para las celdas solares es
el silicio, que es el segundo elemento más abundante
en la tierra. No se encuentra en estado puro pero sí
en la forma de arena o cuarzo.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Tecnología de paneles fotovoltaicos
Cristalinos
Para obtener el silicio se quema la arena de cuarzo con
carbón pulverizado, a una temperatura entre 1800°C a
1900°C. Esto produce un polvo de silicio metalúrgico, el
cual es 98% puro; pero no lo suficiente para las
aplicaciones electrónicas. Para ese objetivo, el silicio
sigue un proceso de purificación química, consistente
en: fundición, hervido y destilado. Luego, al solidificar,
se obtiene el poli silicio el cual es la materia prima
usada para crear celdas solares mono cristalinas o poli
cristalinas
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Tecnología de paneles fotovoltaicos
CELDAS DE SILICIO MONOCRISTALINO
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Módulo Monocristalino
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Tecnología de paneles fotovoltaicos
CELDAS DE SILICIO POLICRISTALINO
• Color: azul o gris plateado .
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
MÓDULO POLICRISTALINO
Depto. Ciencias
Efecto fotovoltaico
3-12 Energéticas y Fluídicas
ROLLO DE PANELES FLEXIBLES DE CAPA FINA
(SILICIO AMORFO)
Depto. Ciencias
Efecto fotovoltaico
3-13 Energéticas y Fluídicas
MÓDULO SILICIO AMORFO SUBSTRATO DE VIDRIO
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
SUPERFICIE NECESARIA DE DIFERENTES TIPOS
DE CÉLULA
Tipo de célula
Eficiencia de módulo
Superficie FV necesaria para 1 kWp
Monocristalina
Policristalina (EFG)
Policristalina
Capa fina de diseleniuro
de cobre e indio
Amorfa
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
ESTRUCTURA DE UN PANEL CON ENMARCADO
1 Marco de aluminio, 2 Junta, 3 Vidrio, 4 Encapsulamiento en EVA, 5 Célula cristalina, 6 Lámina Tedlar
Depto. Ciencias
Efecto fotovoltaico
3-10 Energéticas y Fluídicas
CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA CÉLULA
SOLAR CRISTALINA
Potencia de célula en Watios
Intensidad de célula en Amperios
Corriente de cortocircuito
Tensión de circuito abierto
Tensión de célula en Voltios
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Características eléctricas
• Tensión de circuito abierto
Es la tensión del panel cuando tiene sus
terminales en circuito abierto.
• Corriente de corto circuito
Es la corriente cuando sus terminales están en
corto circuito.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Características eléctricas
• Tensión de punto de potencia máxima
Es la tensión de salida del panel fotovoltaico
en el punto de potencia máxima.
• Corriente de punto de potencia máxima
Es la corriente de salida del panel fotovoltaico
en el punto de potencia máxima.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Características eléctricas
• Potencia máxima
Es la potencia máxima de salida del panel
fotovoltaico para una temperatura de 25° e
Irradiancia de 1000 W/m2. La potencia
máxima se define como la multiplicación de la
corriente en el punto de potencia máxima con
la tensión en el punto de potencia máxima.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Comportamiento de voltaje de circuito
abierto y corriente de corto circuito
según Irradiancia
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
POTENCIA DE UN MÓDULO SOLAR CRISTALINO
Corriente de módulo en Amperios
EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA
UMPP Rango
Tensión del módulo en Voltios
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
POTENCIA DE UN MÓDULO SOLAR CRISTALINO
Corriente de módulo en Amperios
EN FUNCIÓN DE LA RADIACIÓN
UMPP Rango
Tensión de módulo en Voltios
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
CONEXIÓN DE MÓDULOS EN SERIE
Conexión en serie
Conexión en serie
Depto. Ciencias
4-2 Energéticas y Fluídicas
CONEXIÓN DE MÓDULOS EN PARALELO
Conexión en paralelo
Conexión en paralelo
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-3 Energéticas y Fluídicas
CONEXIÓN EN MÓDULOS EN SERIE-PARALELO
Conexión Serie-Paralelo
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-4 Energéticas y Fluídicas
INVERSOR DE AISLADA Y REGULADOR DE CARGA
Depto. Ciencias
Instalaciones fotovoltaicas aisladas
5-6 Energéticas y Fluídicas
INSTALACIONES CON UN INVERSOR CENTRAL
O VARIOS INVERSORES
1 Generador, 1a/b Generadores parciales, 2 Caja de conexión del generador, 3 Inversor
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-5 Energéticas y Fluídicas
CONCEPTO DE INVERSOR CENTRAL EN INSTALACIONES
CON TENSIÓN ALTA
1 Generador, 2 Caja de conexión del generador, 3 Interruptor DC, 4 Inversor, 5 Red
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-6 Energéticas y Fluídicas
CONCEPTO DE INVERSOR CENTRAL EN
INSTALACIONES CON TENSIÓN BAJA
1 Generador, 2 Interruptor DC, 3 Inversor, 4 Red
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-7 Energéticas y Fluídicas
CONCEPTO DE INVERSORES STRING
1 Generador, 2 Interruptor DC, 3 Inversor, 4 Red
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-8 Energéticas y Fluídicas
CONCEPTO DE INVERSORES DE MÓDULO
1 Generador, 2 Inversor, 3 Red
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-9 Energéticas y Fluídicas
CONEXIÓN A LA RED DE INSTALACIONES CON
VARIOS INVERSORES
1 Generador, 2 Enchufe de módulo, 3 Caja de conexión del generador, 4 Inversor
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-10 Energéticas y Fluídicas
LAS SOMBRAS LIMITAN LA PRODUCCIÓN DE
ENERGÍA ELÉCTRICA
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-25 Energéticas y Fluídicas
LA EVOLUCIÓN DE SOMBRAS DURANTE EL DÍA
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-26 Energéticas y Fluídicas
EVITAR SOMBRAS ENTRE FILAS EN EL CASO DE
MONTAJE SOBRE TEJADO PLANO
Altura
Distancia
4 - 6 x altura
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-30 Energéticas y Fluídicas
FUNCIONAMIENTO DE DIODOS BYPASS
Diodo bypass
Célula
Célula
Diodo bypass
Célula
Célula
Célula
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-31 Energéticas y Fluídicas
Los pasos de dimensionado de una
instalación conectada a red
1. Cálculo del tamaño de la instalación
• Fijar el volumen de la inversión económica
• Determinar el tamaño y la orientación de la
superficie de tejado disponible, y la posición de
obstáculos fijos
• Comprobar la no-existencia de sombras. Si es
preciso, cambiar la posición de antenas, barras
interceptoras etc.
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-33 Energéticas y Fluídicas
Los pasos de dimensionado de una
instalación conectada a red
2. Selección de los módulos fotovoltaicos
• Decisión del tipo de módulo (monocristalino,
policristalino o capa fina)
• Cálculo del número de módulos en función del
tamaño de la instalación deseado y el tejado
disponible
• Determinación de la tensión de módulos en el rango
esperado de temperaturas de servicio (-10°C hasta
70°C)
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-34 Energéticas y Fluídicas
Los pasos de dimensionado de una
instalación conectada a red
3. Selección del inversor
• Selección del inversor en función de la potencia de la
instalación, las tensiones de módulos y la intensidad
admisible de entrada
• Tener en cuenta la garantía y el servicio postventa del
fabricante del inversor
• Selección del concepto de inversor y la conexión de
módulos de acuerdo con el rango de MPP del
inversor
Instalaciones fotovoltaicas conectadas aDepto.
red Ciencias
4-35 Energéticas y Fluídicas
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Resumen sobre la Energía Solar Fotovoltaica
Sobre esta tecnología
La energía solar es un recurso renovable, ya que existe un suministro continuo a la
tierra por el sol. Hay dos formas comunes para convertir la energía solar en
electricidad: las tecnologías fotovoltaica y solar térmica. Los sistemas fotovoltaicos
constan de obleas de silicio u otros materiales conductores. Cuando la luz incide en
las celdas, produce una reacción química, lo que resulta en la liberación de energía
eléctrica.
Reservas
Recursos solares están disponibles en todas partes del planeta, aunque en algunas
zonas reciben menos luz solar que otras, dependiendo del clima y las estaciones.
Impactos Ambientales
Emisiones a la atmósfera
Las emisiones asociadas a la generación de electricidad a partir de las tecnologías
solares son insignificantes debido a que no se utilicen combustibles.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
Uso de los Recursos de Agua
Los sistemas fotovoltaicos no requieren el uso de agua
para generar electricidad.
Vertido de aguas
Las tecnologías solares no descargan agua, mientras que
la creación de electricidad.
Generación de Residuos Sólidos
La producción de obleas fotovoltaicas genera cantidades
muy pequeñas de materiales peligrosos que deben ser
manejados con cuidado para evitar el riesgo para el
medio ambiente o para la gente.
Depto. Ciencias Energéticas y Fluídicas
GENERALIDADES DE CENTRALES
SOLARES FOTOVOLTAICAS
Ismael Antonio Sánchez
Depto. de Ciencias Energéticas