Energía Solar Fotovoltaica

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Unidad
Energía Solar Fotovoltaica
Obtención de energía eléctrica a partir del Sol
O
bjetivo: Estudiar las características técnicas de un Sistema solar fotovoltaico (SFV), identificar
sus componentes y realizar su conexión, así como evaluar parámetros de voltaje, intensidad de
corriente y la potencia generada.
La Energía del Sol
Como rasgos generales podemos decir que la energía
solar es de elevada calidad energética, de pequeño o
nulo impacto ecológico e inagotable a escala humana;
sin embargo existen algunos problemas a la hora de
su aprovechamiento: la energía llega a la Tierra de
manera dispersa y semi aleatoria, estando sometida a
ciclos día-noche y estacionales invierno-verano.
Fig.Nº1: Inclinación de paneles
Irradiación solar, inclinación, orientación
Se puede obtener datos de la irradiación del Perú
revisando el Mapa de irradiación solar .
Fuera de la atmósfera la irradiación del Sol tiene una
intensidad de 1350 W/m2, en la tierra la máxima
intensidad de la irradiación es aproximadamente de
1000 W/m2, pero en días muy despejados puede ser
un poco más alta. (Curso de Energía Solar, PUCP)
Esta
misma
puede
medirse
utilizando
instrumentación. El nombre del instrumento que
sirve para medir la energía solar es el solarímetro.
Básicamente hay dos tipos de solarímetros: el
piranómetro (por medición de temperatura) y el
medidor fotovoltaico (por medición de electricidad),
ambos tipos miden la irradiación solar tanto directa
como difusa.
En el Perú, la irradiación promedio es una de las más
altas del mundo. Muchos de los paneles solares se
colocan inclinados para recoger mejor la irradiación
solar, la cantidad óptima de energía se recoge cuando
el panel está inclinado en el mismo ángulo que el
ángulo de la latitud.
El ángulo debería ser de por lo menos 15° para
asegurar que el agua de las lluvias discurra fácilmente,
lavando el polvo al mismo tiempo. A latitudes
mayores (> 30° norte o sur ) los paneles están
inclinados más sobre el ángulo de latitud para tratar
de nivelar las fluctuaciones por estaciones.
Fig. Nº 2: Piranómetro
50
Fig. Nº3:
Solarímetro
Formas de Aprovechamiento
Generalmente, las celdas son hechas en forma
redonda o cuadrada, del orden de los 100 cm2. El
voltaje de una célula es relativamente estable y
aproximadamente de 0.55V CC. Para tener un voltaje
mayor, como de 12 o 24 V, un número de celdas se
conectan en serie. A este conjunto se le denomina
panel solar o módulo fotovoltaico.
Puede hacerse de dos maneras: por captación
térmica (solar térmica) y por captación fotónica
(solar fotovoltaica).
Captación térmica: Se requiere interceptar los rayos
solares con una superficie absorbente sobre la cual se
presentará un efecto térmico. Esto se puede conseguir
sin utilizar elementos mecánicos (de forma pasiva) o
utilizándolos (de forma activa)
Efecto fotovoltaico
El principio básico del efecto fotovoltaico es que es
posible liberar electrones de sus átomos y en estos
electrones libres hacer el material conductivo. La
cantidad de energía mínima para liberar a un electrón
de su posición fija se llama Band-gap. Cuando un
fotón cae sobre un semi conductor puede suministrar
suficiente energía para liberar a un electrón.
Captación fotónica: la radiación solar puede ser
empleada de forma energética directa, utilizando la
energía de los fotones mediante el efecto
fotoeléctrico, dando origen a la energía fotovoltaica.
En esta unidad nos ocuparemos de la energía solar
por captación fotónica.
La célula fotovoltaica realmente consiste en dos capas
muy delgadas de semiconductores. La capa superior
es un semiconductor del tipo n (tipo negativo, posee
exceso de electrones libres) y la capa inferior es un
semiconductor del tipo p (tipo positivo, con átomos
que tienen una escasez de átomos libres- huecos).
Solar Fotovoltaica
Mediante el efecto fotoeléctrico la energía de los
corpúsculos constituyentes de la luz (fotones) se
puede aprovechar para producir electricidad. Este
tipo de energía tendrá interés en aquellos casos en que
la demanda es reducida, pero difícil de atender por su
localización en puntos distantes de la red de
distribución.
Componentes de un Sistema Fotovoltaico
Un sistema FV consiste de un panel FV o módulo,
una unidad de control, una batería de
almacenamiento,
carga eléctrica y sistemas de
protección.
Las nuevas tecnologías y materiales de fabricación de
las células ofrecen la posibilidad de conseguir
importantes disminuciones en el precio de los
paneles, lo cual permitiría que su uso se hiciera más
generalizado, por otro lado está la constitución del
material, células flexibles, haciéndolas más
ergonómicas y de fácil instalación.
Fig. Nº 4: Componentes de una SVF
Actualmente las aplicaciones más interesantes son la
electrificación rural referida al sector doméstico, las
aplicaciones agrícolas y ganaderas, como repetidores
de radio y televisión, radiografos, balizas, aeropuertos,
calculadoras...
El panel FV convierte la radiación solar en corriente
continua con un nivel de voltaje fijo.
La unidad de control (regulador) está en el centro del
sistema y dirige a la corriente desde el panel FV ya sea
directamente a la carga eléctrica (uso final) o a la
batería de almacenamiento. Si hay una carga eléctrica
cuando no hay sol, la unidad de control dirigirá
energía desde las baterías a la carga. Es el corazón de
un sistema FV su funcionamiento determina el
comportamiento y tiempo de vida del sistema
completo.
La célula fotovoltaica, el panel solar
Una célula fotovoltaica es un conductor semi plano
que convierte la irradiación solar directamente a
corriente eléctrica, sin partes móviles y sin generar
ruido o contaminación alguna. Las celdas
fotovoltaicas consisten de un semiconductor de
silicio, contactos metálicos y usualmente un
recubrimiento delgado que aumenta la eficiencia de la
célula (reflexión reducida).
Las baterías se necesitan para almacenar la energía
que se utilizará después, por ejemplo durante la noche
o días nublados.
56
Práctica Nº 4: Dimensionado rápido
de Sistemas Fotovoltaicos
Los módulos FV generarán potencia a un voltaje CC
de 12 V (o a veces 24V). Si se utilizan artefactos
eléctricos estándar es necesario cambiar este bajo
voltaje CC a un voltaje mayor (110 0 220V) 50 Hertz
de potencia -AC. Para esta conversión de CC a AC se
utiliza un inversor.
Los requerimientos del usuario son el punto de
partida de todo ciclo. Por otro lado es importante las
condiciones climáticas y las necesidades técnicas para
diseñar un sistema FV. A continuación se enumeran
una serie de consideraciones para el dimensionado:
Tipos y características de los paneles
Como se observa en las tablas 1 se muestran los
rendimientos de producción. Las eficiencias previstas
para los módulos comerciales del 2010 siguen por
debajo de los resultados de laboratorio de hoy día. 1
1. Identificación del recurso solar energético. Dato
2
dado en KWh/m /día referido en media mensual
o media anual.
Tabla.1. Tipos de Celdas solares
Tecnología de celda
Silicio monocristalino
Silicio policristalino
Silicio en cinta
Silicio concentrador
Silicio
amorfo
(incluyendo multicapas)
Diselenuro de indio y
cobre
Teluro de cadmio
Película de silicio
1999
14-16
13-15
14
18
6-8
2000
2010
25
10
30
14
7-8
12
14
7-8
8-10
12
12
14
15
2. Requerimientos del usuario: Se debe trabajar sobre
la base de las necesidades energéticas del usuario.
Para este fin puede elaborarse un Cuadro de
consumo de energía:
Equipo
Cantidad
Potencia
(W)
Horas
de
Uso
Energía
(Wh/día)
Energía Requerida wh/día
3. Cálculo del numero de paneles:
Los costos de fabricación y los precios de venta de los
módulos comerciales para los diferentes tipos de
tecnologías de celdas solares se muestran en la tabla 3.
Ar = 1200 X Ed / Id
Donde: Ar : Tamaño del panel (Wp)
Ed: Consumo de electricidad (kWh/día)
Id : Irradiación (kWh / m2 / día)
Tabla.2. Costos por celdas solares
Tecnología
celda
de
1999
USD/Wp
precio
2000
USD/Wp
costo
/precio
2010
USD/Wp
Costo/precio
Silicio
monocristalino
Silicio
policristalino
Silicio en cinta
Concentrador
(incluye seguidor,
electrónica)
Silicio
amorfo
(incluyendo
multicapas)
Diselenuro
de
indio y cobre
Teluro
de
cadmio
Película de silicio
sobre substrato
barato
3,9 - 4,25
1,5/2,5
1,2/2,0
3,9 - 4,25
1,5/2,5
1,2/2,0
3,9 - 4,25
6,0
1,5/2,5
1,5/2,5
1,2/2,0
0,5/1,33
2,5 - 4,5
1,2/2,0
0,75/1,25
-
1,2/2,0
0,75/1,25
-
1,2/2,0
0,75/1,25
-
1,2/2,0
0,75/1,25
El tamaño de un sistema FV está dado por el Watt
Pico (Wp). Esta es la salida máxima de un panel
FV bajo condiciones estándar que son:
2
temperatura ambiente de 25°C y 1000 Watt/m de
irradiación.
La fórmula supone una eficiencia del sistema de
aproximadamente 8% que se basa en la eficiencia
del panel (10%) y la eficiencia de la batería (80%).
Otro dato que se asume es la potencia
proporcional de los paneles por metro cuadrado
de 100 Wp.
Cuando otras eficiencias o salidas de potencia son
válidas debe usarse la fórmula completa:
Ar = Pp x Ed /(epanel x ebatería x Id)
Donde: Pp = Pot. dada por panel [Wp/m2]
epanel = eficiencia del panel [-]
ebatería = eficiencia de la batería [-]
Desarrollo mundial de la energía solar fotovoltaica
Por Idalberto Chávez (Inv. Grupo de Energía Solar,
CITMA, Ciudad de La Habana)
1
56
Esta fórmula supone una demanda de electricidad
constante e radiación también constante.
cables son mucho más altas que las de los sistemas
con voltaje AC de 110 o 220 V. La cantidad de
potencia en Watts producida por la batería o panel
fotovoltaico está dada por la siguiente fórmula:
4. Batería de almacenamiento
El tamaño de la batería de almacenamiento
depende de la importancia de la confiabilidad del
suministro de potencia. En muchos casos es
suficiente un almacenamiento en baterías de 2 o 3
días. Esto significa que la capacidad de la batería
debería ser de por lo menos 2 o 3 veces el
consumo de energía diario para poder suplir
durante 2 o 3 días sin brillo solar (días de
autonomía).
P=UxI
Donde: U = tensión en Voltios
I = corriente en Amperios
A continuación damos una tabla para conductores
eléctricos extraído del manual de INDECO, que
nos servirá para saber que calibre de conductor
necesitamos teniendo como dato la corriente que
circulará por el conductor.
Cálculo del tamaño de la batería:
Tamaño = (AUT x Ed) / (REND x DESC)
Donde:
AUT (Autonomía- días sin brillo solar)
Ed = consumo de energía en kWh
REND (eficiencia de la batería), Promedio 80%
DESC (descarga de la batería), Promedio 50%
Número de baterías necesarias
N° de Baterías = tamaño/(Ah x V)
Se debe trabajar con tablas o catálogos de equipos:
Tamaño en Wh
Ah= Amper – Hora
Voltaje de la batería (Voltios)
Es importante considerar la caída de tensión en el
cable proveniente del arreglo de paneles hacia el
controlador o del arreglo de baterías hacia el
controlador.
5. Dimensionado del Controlador
Práctica Nº 5: Instalación de un
Sistema Fotovoltaico
El tamaño de la unidad de control está
determinado por la máxima corriente que puede
esperarse del sistema FV. Esta puede ser tanto la
corriente de los paneles a la batería y/o uso final,
o la corriente de la batería hasta el uso final.
Ambas corrientes máximas deben calcularse para
determinar la capacidad de la unidad de control.
Se debe seleccionar adecuadamente el lugar para la
instalación del panel. Las consideraciones iniciales
recomendadas son:
a) Identificar el punto de salida del sol y su
trayectoria (norte)
b) Evitar obstáculos que generen sombras sobre el
panel y limiten el acceso al sistema.
c) Identificar un área que de suficiente espacio en
el techo, sobre postes o sobre la tierra.
d) Perfeccione el ángulo de la inclinación y la
orientación de los paneles lo más posible;
paneles dando al sol y en una cuesta igual a una
latitud (de no menos de 15 grados) o 15 grados
más para nivelar fluctuaciones estacionales.
Se debe seleccionar según la máxima corriente que
pasa por los cables: Panel - batería y Batería –
carga .Los controladores en el mercado vienen
especificados para corrientes de 8A / 12A / 20A
/ 30A, entre otros.
6. Dimensionamiento de los cables
Los cables utilizados en un sistema fotovoltaico
están cuidadosamente diseñados. Como el voltaje
en un sistema fotovoltaico es voltaje CC bajo, 12
o 24 V, las corrientes que fluirán a través de los
56
e) La estructura del techo o del palo/marco de
soporte debería ser bastante fuerte para llevar el
peso de los paneles y suficientemente fuerte para
soportar la fuerza extra del viento
(especialmente en aéreas tempestuosas es un
requisito importante).
f) Los paneles deben ser montados de tal manera
que todavía sean accesibles para limpieza y
servicio. Esto también se aplica a la unidad de
control y la batería.
g) Los paneles deben ser situados cerca de la
unidad de control y las baterías para así evitar el
uso de cables largos, los cuales son más caros y
causan más perdidas de electricidad. También
mantenga los cables de la unidad de control a los
puntos de uso final tan corto como sea posible.
Monitoreo del sistema
Requiere contar con un multímetro y amperímetro
en DC, un solarímetro, termómetro digital para placa
y un anemómetro.
Panel Solar
•
•
•
Instalación de un Sistema Fotovoltaico
Mida el voltaje generada por el panel solar en
vacío (sin carga, es decir sin tener ningún
equipo conectado y encendido), antes de
conectarlo al equipo.
Medir la corriente de carga del panel. Verifique
en la especificación del equipo la Ipmax.
Sobre el controlador mida la corriente de
consumo de la carga.
Batería:
•
Medición sin carga (en vacío), sobre los bornes
•
Medición con carga activada.
Paso 1:
Conecte 02 cables de salida (01 rojo + y 01 negro -) a
los bornes de la caja posterior del panel. Instale el
panel FV según las consideraciones de inclinación
sobre el soporte. Asegure los sistemas de fijación.
Revise la Tabla Nº 3: Monitoreo del sistema
Nota: El monitoreo del sistema requiere trabajar con
intervalos de 5 minutos, requiriéndose como mínimo
30 datos de 03 días de la semana.
Paso 2:
Bibliografía
Instale dos cables (01 rojo + y 01 negro -) en los
bornes de la batería, recuerde utilizar terminales (tipo
pinzas o tipo “O”) para los cables. Seguidamente
Coloque la batería y el panel de control en los lugares
apropiados. Espera la conexión del controlador.
[1] Energética, Dimensionado de Energía Solar
Fotovoltaica.
Disponible
en
[http://www.energetica.org.bo/]
[2] Vargas Javier. (2007) Informe de trabajo: Proyecto
Instalación de energía solar fotovoltaica en La
Posada del Sauce - Tarapoto.
Asegúrese que el cable de color negro esté conectado
al borne negativo de la batería, y el cable de color rojo
esté conectado al borne positivo de la batería.
Apuntes para el examen
Paso 3:
Defina:
- Efecto fotovoltaico
- Potencia pico
- Voltaje/Corriente
- Irradiación
Instale el sistema de control (controlador sobre una
caja de pase o sobre un soporte de madera).
Seguidamente conecte los 02 cables del panel (paso 1)
guiándose por la polaridad mostrada en el
controlador.
Resuelva:
Una comunidad se desea contar con los siguientes
equipos:
• Una computadora por espacio de 3 horas diarias.
• Un televisor por espacio de 4 horas diarias.
• Dos focos por espacio de 4horas diarias.
• Un ventilador por espacio de 6 horas.
Prosiga con la conexión de 02 cables de la batería.
Seguidamente conecte 02 cables (01 rojo + y 01 negro
-) que servirá para la alimentación de las cargas,
asegúrese que esta conexión termine en una bornera,
de esta forma podrá alimentar varias cargas.
La irradiación promedio anual de la zona es 5
kWh/m2/día.
56
Esquema de instalación de un SFV
56
Tabla Nº3: Monitoreo del SFV
Tiempo
Radiación
W/m2
V
viento
m/s
Tº
Amb.
Panel Solar
Tº
placa
Sin carga
I
V
Amp.
Volt
56
Regulador
V panel
Volt
V batería
Volt
Batería (Sin carga)
Volt