informe final - Universidad Nacional del Callao.

UN I VERS I DAD NACI ONAL DEL CALLAO
Facult ad de I nge nie ría Elé ct ric a y Ele ct rónica
Es cue la Prof e s ional de I ngenier ía Elé ct rica
I NFORME FI NAL DEL TRABAJ O DE I NVESTI GACI ÓN
ELECTRI FI CACI ÓN FOTOVOLTAI CA DE POS TA MÉDI CA,
CAS ERÍ O DE CHOCNA- S AN MATEO- LI MA
DR. I NG. MARCELO NEMESI O DAMAS NI ÑO
CI P. N° 4 325 6
• Aprobación de l Proye cto:
R. R. Nº 38 3- 2 01 0 - R de l 1 2 . 04 . 2 010
• Cronograma de ej e cución de l
proye ct o:
De l 0 1 . 04 . 2 0 10 a l 3 1 .0 3 . 201 1
CALLAO PERÚ
MARZO 20 11
0
ELECTRI FI CACI ÓN FOTOVOLTAI CA DE POS TA MÉDI CA, CAS ERÍ O DE
CHOCN A- S AN MATEO- LI MA
1 . RES UMEN
La información importante obtenida en esta pesquisa, consiste en la viabilidad de
electrificar con Sistema Solar Fotovoltaico, la Posta
édica del Caserío de
Chocna, ubicada en una zona accidentada a 50 km de la iudad de San Mateo a
3800 m.s.n.m. De las fuentes de energías renovables, l generación de la energía
eléctrica con sistemas solar fotovoltaica es la más co veniente, consiste en los
paneles solares fotovoltaicos que convierten la radiación provenientes del sol, en
energía eléctrica proporcionando corriente continua, l que es transformada en
corriente alterna, la intensidad de energía solar disponible
un punto
determinado de la tierra depende del día, año, hora, l itud y de la orientación
del dispositivo receptor, todo esto, inicialmente requ ere de mayores inversiones
económicas para su implementación. Los componentes para electrificar la Posta
Médica, son: Panel solar. Convertidor de CC. a CA. Est
Acumulador o Batería. Dispositivos
izador de tensión,
de protección del s stema. Con la
implementación eléctrica de la Posta, se estará atendi
do la urgente necesidad
social básica de la salud de los pobladores de dicho Caserío, porque su costo de
electrificación con sistemas convencionales actualment
es elevado. De igual
manera, se está cumpliendo el objetivo científico de ésta investigación, que
consiste en diseñar con sistema fotovoltaico la electrificación de la posta
médica, asimismo, se verifica el objetivo tecnológico, al incrementarse la
utilización de equipos y componentes de sistemas fotov
icos para alimentar los
equipos biomédicos básicos, a futuro la electrificación de viviendas del Caserío
de Chocna, cubriendo la necesidad básica de salud mejorando la calidad de vida
de los pobladores, igualmente, ampliar la tecnología nacional sobre el uso de
paneles solares atenuando la contaminación del medio ambiente.
1
Finalmente, queda demostrada la viabilidad de ser electrificada con sistemas
fotovoltaicos la Posta Médica del Caserío de Chocna, que brindará atención
oportuna y adecuada de salud a los pobladores de dicho Caserío, de igual manera,
implicará reducir la generación de energía eléctrica por sistemas convencionales,
atenuando la contaminación, el calentamiento global y
s energética.
2 . I NTRODUCCI ÓN
Desde miles de años virtualmente toda la energía consumida por los humanos ha
provenido del sol. El petróleo, carbón y gas natural son residu s de plantas y
animales, los cuales originariamente tomaron para su d sarrollo toda la energía
de la radiación solar. La radiación solar también diri
el ciclo del agua en la
tierra, la cual mueve los modernos generadores hidroeléctricos y la circulación
de vientos en la atmósfera, los cuales han movido los
arcos o los molinos de
viento durante miles de años.
La investigación de las posibilidades de las fuentes de energías renovables,
también denominadas nuevas energías, ha sido intensa en los últimos años, y
entre ellas, la transformación de la energía solar en energía eléctrica mediante la
conversión fotovoltaica, es una de las que mayores esp
as prometen.
El origen del combustible y por ser un sistema de conversión directa de energía
que emplea convertidores de estado sólido (tipo semico
or de gran
superficie), estáticos, y con posibilidades de abarata iento y competitividad a
nivel del mundo, como ya lo fue en origen en los vehículos espaciales.
Son numerosas las instalaciones experimentales existentes de cierto tamaño, y
muy numerosas las de pequeño tamaño en instalaciones remotas, precisamente
gracias a las experiencias citadas, se ve que hay much trabajo que realizar para
optimizar las prestaciones de los sistemas solares fotovoltaicas.
Estos desarrollos aún pendientes no son sólo en los módulos de células solares
fotovoltaicas, sino en los reguladores y convertidores de voltaje, en las baterías
2
de almacenamiento que casi siempre son necesarias en sistemas aislados por el
carácter aleatorio de la energía solar y para suministros nocturnos, también en
los convertidores de corriente continua a corriente alterna para atender los
suministros más frecuentes en corriente alterna, etc.
Estos últimos equipos, aunque existentes para otros usos, no han sido adaptados
para su empleo en sistemas fotovoltaicos, donde, por e mplo, es necesario
controlar cada instante el estado de carga de la batería y aún existen
dificultades para ello, donde el rendimiento de los inversores y sus
características eléctricas deben responder a otros nue s interfases CC (entre
otros de tensión e intensidad muy variable para obtener el máximo de energía del
sol) y CA (evitar presencia de armónicos, fuerte variación de la carga, etc.).
Los paneles solares fotovoltaicos convierten la radiación provenientes del sol, en
energía eléctrica proporcionando corriente continua, l que es transformada en
corriente alterna, la intensidad de energía solar disp nible en un punto
determinado de la tierra depende del día, año, hora, latitud y de la orientación
del dispositivo receptor, todo esto, inicialmente requ ere de mayores inversiones
económicas para su implementación, ver Fig. 1.
Módulo
Radiación solar
Ángulo de desviación
Horizonte
Fig. 1. Ángulo de I nclinac ión
Lo indicado, se tomará en consideración para la electrificación de la Posta Médica
con sistema solar fotovoltaico, del Caserío de Chocna, ubicada en una zona
geográfica accidentada a más de 50 Km de la zona electrificada, a 3800 m.s.n.m.
los costos para su electrificación con sistemas convencionales son demasiados
3
costosos, sin embargo, dicha Posta requiere urgentemente su suministro
eléctrico con sistema solar fotovoltaica, donde funcionará los equipos biomédicos
para brindar servicio médico básico a dicha población, por ésta razón, esta
investigación, está orientada a desarrollar el proyecto de electrificación
fotovoltaica mediante paneles solares para resguardar ste requerimiento social
básico.
El objetivo científico de ésta investigación, es diseñar con sistema fotovoltaico
la electrificación de la posta médica. El objetivo tecnológico, es incrementar la
utilización de equipos y componentes de sistemas fotov ltaicos para alimentar
eléctricamente los equipos biomédicos básicos de la posta médica y a futuro el
suministro eléctrico a las viviendas dispersas del Cas
o de Chocna, cubriendo la
necesidad básica de salud mejorando la calidad de vida de los pobladores de
dicho Caserío, igualmente, ampliar la tecnología nacional sobre el uso de paneles
solares atenuando la contaminación del medio ambiente.
Los
componentes
de
los
sistemas
solar
fotovoltaicas
serán
descrito
adecuadamente para su aplicación en la electrificación de la Posta Médica del
Casería de Chocna, que en el año 2010 ha sufrido un deslizamiento natural de
tierra originado por el año lluvioso de la serranía, imposibilitando su acceso a
dicho lugar, sin embargo, se implementará eléctricamente en base a la presente
investigación tecnológica aplicada.
3 . MARCO TEÓRI CO
Los diversos enfoques científicos tecnológicos y teóricos para la presente
investigación, se han tomado de la tesis doctoral intitulada “Formulación de un
modelo de estudio para el aprovechamiento de la energí
solar mediante la
conversión fotovoltaica en energía eléctrica para sistemas de pequeña potencia”,
desarrollado por Pantoja López, Alfonso, año 1987, en a Escuela Técnica
Superior de Ingenieros de Minas, de la Universidad Politécnica de Madrid4
España. De igual manera, de otra investigación intitulada “Celdas Fotovoltaicas en
Generación Distribuida”, generada por Pereda Soto, Isidro Elvis, para optar el
título de Ingeniero Civil Industrial Mención Electrici
d, año 2005 en la ciudad
de Santiago de Chile. Asimismo, se han considerado otras fuentes como
Seminarios para la determinación de estrategias para la electrificación rural en
Honduras, desarrolladas en la ciudad de Tegucigalpa México en el año 2001,
igualmente, sobre las “experiencias de Electrificación Fotovoltaica en el Perú”,
Finalmente, informaciones del Centro de Energías Renovables de la Universidad
Nacional de Ingeniería (CER-UNI) E-mail: [email protected]. Estos enfoques
teóricos científicos tecnológicos que sustentan la pre
investigación, son
descritos y analizados en las páginas siguientes.
3 . 1 Convers ión direct a de la energía solar, des de el es t ad
sólido al diodo
de unión p- n. La estructura electrónica de la materia está conformada por la
fuente básica de electrones que realizan el trabajo necesario en la conversión de
la energía. Toda la materia está concedida por sistemas de átomos con su núcleo
y los electrones girando alrededor de él. De acuerdo a la teoría de Bohr, la
energía de los diversos electrones varia de una forma
screta (niveles de
energía) correspondiendo el estado de máxima energía a aquellos electrones
existentes en la órbita exterior, son los llamados electrones de valencia y son los
menos ligados al núcleo. Se conoce también el hecho de que los electrones al
orbitar alrededor de su núcleo en una órbita específica, no emiten ni absorben
energía, y que sólo cuando cambian de órbita, emiten o absorben energía (varia su
nivel energético). El paso de un nivel energético a ot o inmediato se pone de
manifiesto emitiendo o absorbiendo (según disminuya o aumente su nivel de
energía) un fotón. Fotón cuya energía será la diferencia entre los dos niveles y su
frecuencia
g , relacionadas ambas por la ecuación de Plank =/E1–E2/=h g , donde
h, es la constante de Plank, este científico, fue el primero en obtener una
5
expresión que explicase la radiación de un cuerpo negr , cuyos resultados
experimentales ya se conocían
E =
2 hC
5
l (e
2
hC / kT l
− 1)
,
Wcm−2mm−1
Con ello, hizo su aparición la constante universal (h) que ya formaría parte
invariable y básica de la teoría cuántica, (año 1900)
su modelo de los cuantos o
fotones, cuyo valor es h=6.625x10-34 J-seg., concepto que fue en parte
definitivamente aceptado, cuando poco después (en 1905) Einstein estableció su
ecuación fotoeléctrica. hg = E i − 1 mu 2 , y ambos proporcionaron las bases para que
2
al poco tiempo, (en 1913) Bohr, explicara su teoría cu
ica de la estructura
atómica. Por ello, a la expresión. g = E 1 − E 2 se le conoce como ley de la
h
frecuencia de Bohr. Por otro lado, también se ha demostrado que aplicando la
mecánica cuántica al estudio de los electrones de los átomos, estos sólo pueden
tener unos ciertos niveles discretos de energía, (deno inados autovalores) o
valores característicos, a través de la ecuación espac al de Schrodinguer. Por
último, el electrón (de masa m y velocidad u) también
en propiedades
análogas a las de las ondas, este carácter ondulatorio del electrón dentro de la
teoría cuántica (a partir de entonces) u ondulatoria f
descubierta por De
Broglie. l = h , obtenida de forma muy simplificada al igualar la Ecuación de
m.u
Einstein, E = mc2 , con la de Plank. E = h g , de donde l = h
sustituyendo c, m,
m .c
(velocidad y masa del fotón) por u, velocidad y masa,
del electrón, se tiene la
anterior ecuación.
Pasando al sólido, la estructura material está formada por sistemas de átomos
(moléculas) enlazadas e interaccionándose unos con otros. Si las moléculas están
colocadas de forma ordenada tendremos un sólido crista ino o cristal, que podrá
6
denominarse monocristalino si todo el sólido es un úni o cristal, o policristalino si
existen varios cristales.
3 . 2 Teoría de las bandas . Al interaccionarse los electrones de los diversos
átomos, sus niveles de energía se desdoblan constituyé
se tantos niveles como
interacciones se produzcan. A este grupo de niveles energéticos se le denomina
banda de energía. Así, las bandas de energía correspondientes a los electrones
de las órbitas más alejadas del núcleo atómico serán m s anchas, ya que sufren
un mayor número de desdoblamientos o (interacciones) de los otros átomos,
puesto que los de las órbitas más cercanas al núcleo e án más ligadas al mismo y
no pueden desdoblarse. Al igual que en los átomos aislados existían
discontinuidades entre los diferentes niveles energéti os de sus electrones
(principio de Pauli, solo pueden existir dos átomos po nivel), en un sólido existen
discontinuidades
entre
las
diferentes
bandas
de
energía.
A
estas
discontinuidades se les denomina como bandas prohibidas.
La banda de niveles energéticos ocupados en cristales e enlace de valencia se
llama banda de valencia. La primera banda de energías permitidas, ocupada en
parte o vacía del todo, situada inmediatamente encima de la banda de valencia, se
denomina banda de conducción, en la cual los electrones se mueven casi
libremente. Un sólido se llama aislante, a una temperatura dada, si la banda
prohibida entre la de conducción (desocupada) y la valencia (ocupada) es del
orden de varios electronvoltios, semiconductor si esta banda prohibida se
estrecha y conductor si ambas de conducción y de valencia se solapan,
constituyendo una banda intermedia parcialmente llena. Los electrones en la
banda de conducción se comportan como electrones libres.
Una gran parte de los semiconductores son materiales q
pertenecen al Grupo
IV de la Tabla de los Elementos Químicos, como el silicio, germanio, etc. Se
denomina semiconductor intrínseco a un semiconductor químicamente puro y sin
7
imperfecciones cristalinas. En el cero absoluto, la banda de conducción está vacía
y la de valencia llena. Al aumentar la temperatura se
oducen vibraciones que
pueden romper los enlaces covalentes y se generan pase
electrón-hueco,
pudiendo algunos de estos electrones pasar a la banda de conducción.
Para producir un mayor número de portadores de carga (necesarios en las
aplicaciones prácticas) se procede a dopar el semiconductor intrínseco. (Por
ejemplo, a base de silicio, Si). El dopado consiste en introducir átomos de un
elemento denominados impureza, en el cristal, constituyendo lo que se conoce
como semiconductor extrínseco. Cada átomo de esta impureza tiene un electrón
de más (Grupo V: As, Sb) o de menos (Grupo III: Gs, B,) en la banda de valencias
disponible para los enlaces con un átomo del Grupo IV. Los primeros se llaman
donadores
de
electrones
libres
y
los
segundos
aceptadores.
A
los
semiconductores del primer tipo se les denomina semiconductores tipo-n
(donadores), y a los del segundo semiconductores tipo-p (aceptadores), según
sobren o falten electrones en y para los enlaces de la estructura cristalina del
semiconductor intrínseco de base.
3.3
Caráct er corpus cular y ondulat orio de los e lectrones . La ecuación de
Schrodinger, a la que antes nos referimos es una ecuación de onda ( Ψ ) que
engloba la dualidad de los aspectos corpusculares (partícula) y ondulatorio (onda)
de los electrones. Es una ecuación diferencial en derivadas parciales respecto al
tiempo y respecto al espacio (tridimensional).
h 2
h ∂Ψ
∇ Ψ = gΨ +
, donde h = h ,
2m
j ∂t
2
∇ es el operador de La Place, y Ψ es función de onda del vector espacial r y del
tiempo, t, y v la energía potencial de la partícula o corpúsculo.
Aunque esta ecuación no es el único camino para abordar la teoría cuántica (p, e,
ecuaciones de Heisenberg) cuya solución general puede obtenerse por el método
8
de separación de variables, una ecuación diferencial e
derivadas respecto al
tiempo y otra en derivadas respecto al espacio Ψ( r ) y Ψ( t ) .
h ∂T
= −E
2ΠjT ∂t
y
h2 ∂2Ψ
−V = −E
8Π2m Ψ∂x2
Donde: E= energía total (Potencial + Cinética) de la partícula.
3 . 4 Cris t al ideal. En un cristal ideal, cristal intrínseco, sus átomos están
dispuestos según un modelo perfectamente periódico y la energía potencial de
sus electrones será también una función periódica. V ( x ) = V ( x + a ) siendo, a, la
constante de la red cristalina. La ecuación de Schrodinger V 2j + 2 m2 [E − V( r ) ]j = 0 ,
h
cuya energía potencial satisface la anterior ecuación, tiene soluciones de forma
exponencial (teorema de Floquet y Bloch) para la funci n de onda Ψ , donde
Ψ(r) = Vkc(r ) e
± jk cr
, siendo Vkc
(r )
la porción moduladora de esta onda. Estas
funciones representan ondas progresivas moduladas que
denominan funciones
de Bloch. Este modelo permite la representación de la energía como función de
Kc, vector de onda.
3 . 5 Energía y cant idad de movimient o del electrón libre. La relación entre la
energía y la cantidad de movimiento de un electrón libre es, de acuerdo con
p2 kc2h2
Vander Ziel. E = =
, donde: m = masa del electrón, p = cantidad de
2m 2m
movimiento (mV) y Kc = vector de onda. Así, el vector e onda está relacionado
con p , por
p = k ch , donde
k c h = cantidad de movimiento cristalina
3 . 6 Energía y cant idad de movimiento del elect rón en el int erior del cris t al.
Mas a ef ect iva. En el interior de un cristal los electrones están sometidos a
fuerzas muy complejas, de forma que puede resultar muy difícil de calcular el
9
efecto total, de forma detallada, y suele recurrir al
iguiente modelo
simplificado. Se toma la expresión. Fext = m* a , que debe ser igual a la siguiente
expresión más general (si se elige de forma adecuada el valor de la que
denominaremos masa efectiva, m * ). Para un electrón de masa constante en el
interior de un cristal. F =Fcri +Fext =m a, donde Fcri , es la fuerza debida al cristal
y Fext la debida a las acciones exteriores del mismo, la mas m y aceleración a,
del corpúsculo en cuestión, el electrón. Se trata de hallar un valor de m * que
haga válida la equivalencia entre las dos expresiones
iores. La velocidad del
electrón está determinada por la velocidad del grupo de ondas que constituyen el
correspondiente paquete.
3 . 7 Unión p- n con t ens ión ext erior aplicada. Si aplicamos una tensión exterior
entre las zonas p y n de la unión en el sentido de fav recer la difusión, (creando
un campo eléctrico opuesto al anteriormente originado) habremos disminuido la
barrera de potencial y un mayor número de portadores podrán atravesarla, s lo
que se conoce como polarización directa. Por el contrario se denomina
polarización inversa cuando en campo eléctrico creado
la tensión aplicada
dificulta la difusión sumándose al campo interior ya existente, aumentando la
barrera de potencial y disminuyendo la circulación de
dores y en definitiva
la corriente total.
En la polarización inversa, el fuerte campo eléctrico existente habrá barrido la
zona de transición (huecos enviados a zona p y electrones a zona n. En los límites
de la zona de transición, por difusión pasarán (desde
de la región de
transición) a la región de transición: De la zona p los electrones minoritarios, y
de la zona n los huecos minoritarios, que serán arrast
zonas n y p, respectivamente, haciendo la zona de tran
os por el campo hacia las
ón menos conductores,
más resistente (más ancha). Estas corrientes son independientes de la barrera
10
de potencial y están gobernadas casi exclusivamente por difusión, constituyendo
la “corriente de saturación” de la unión p-n, que es muy pequeña pues se trata de
los portadores minoritarios (generados térmicamente) y solo aumentará con la
temperatura. La corriente correspondiente a los portadores mayoritarios, será
muy pequeña, pues sólo aquellos portadores que puedan sobrepasar la barrera
contribuirán a la corriente total.
En la polarización directa, los electrones de la zona n y los huecos de la zona
son arrastrados hacia la zona de transición haciéndolas más conductora, menos
resistente (más estrecha). Las corrientes mayoritarias aumentan de tal forma
que hacen despreciable las componentes minoritarias. Cuando se aplica una
tensión a la unión, ya no se puede hablar de niveles de Fermi, porque ya no se
satisfacen las condiciones de equilibrio térmico, ya que al azar constituye l base
de la función de Fermi. No obstante si la velocidad té
ca es mucho mayor que
el efecto del campo exterior aplicado puede seguir hablándose de cuasi-niveles
de Fermi. Todo lo anterior, junto a una serie de simplificaciones sobre la región
de transición, nos conduce a la conclusión de que estos cuasi-niveles de Fermi se
consideran constantes a lo largo de la región de transición y partir de ella,
obtener la concentración de p y n en el punto de comienzo de la región de
transición tanto de la zona n (en X tn ) como de la zona p (en X tp ).
Como
Pxtn = Pneqg / KT ,
y nxtp = npeqg / KT , estas expresiones nos servirán como
condiciones límite para resolver la ecuación diferencial de continuidad.
3 . 8 S ist e ma de energía s olar. El estudio del Sistema de Energía Solar se ha
realizado mediante un análisis de todas las variables
intervienen en el mismo,
comenzando por el análisis de la radiación solar propiamente dicha atendiendo a
su distribución espectral, dada la importancia de este aspecto tiene en la
conversión fotovoltaica, la atenuación en su camino a trav s de la atmósfera y las
11
variables geográfico-astronómicas que determinan la variabilidad de la inci
solar dependiendo de la inclinación y orientación del
cia
el solar.
Por otro lado, la ausencia de datos en muchos emplazamientos hace necesario el
empleo de modelos de simulación de la radiación solar, fundamentalmente de tipo
probabilístico o determinista y, ambos, con ventajas e inconvenientes como
analiza Hamilton, sin que hasta el momento haya una clara ventaja de ninguno,
entre los de tipo mixto una reciente aplicación de J.
ans, para el análisis de los
posibles modos de operación de centrales fotovoltaicas, y entre los de tipo
determinista, el de E. P. French, ofrece un modelo muy sencillo y de suficiente
precisión, si bien está en función directa de las medi iones de radiación
disponible en el lugar de aplicación. Un análisis parecido es el trabajo de J. M.
Morquillas, añadiendo una original clasificación de los días del año en distintas
categorías, obtenidas de una larga serie de datos meteorológicos. Dentro de esta
técnica de caracterización de periodos tipo de radiaci n solar, cabe citar
también entre otros del trabajo de Balsano, establecie
método de cálculo
para la obtención de años tipo de variables meteorológicas y radiación solar.
Adicionalmente, se empiezan a ensayar métodos de optimización conjunta
radiación solar-energía eólica, G. Herranz y C. Sánchez Urdiain, al ob eto de
incorporar esta segunda variable en los sistemas híbri os. En casi todos los casos
es necesario incluir una determinación adicional de los valores horarios de la
radiación como ocurre con los obtenidos a través de correlaciones de Liu, Jordan
y Rabi, así como en el trabajo de Gordon, donde se destaca la importancia de los
valores horarios para hacer frente a determinados tipo
los sistemas
solares fotovoltaicos. Se considera de interés básico
a la preparación del
modelo de análisis de la conversión solar fotovoltaica, la caracterización del
recurso energético de partida, o sea, la energía solar. Un rayo solar sabemos es
el
resultado
de
la
superposición
y
propagación
electromagnéticas de distinta frecuencia, resultantes
de
numerosas
ondas
una de ellas de la
12
asociación de un campo magnético B y un campo eléctrico E sinusoidales,
rectangulares y en fase, propagándose a la velocidad de la luz, de acuerdo con la
teoría de Maxwell y las experiencias de Hertz.
3 . 8 . 1 Caract erís t icas de la radiación solar. El sol envía, su energía en forma
de radiación electromagnética que viaja a la velocidad de la luz, tardando poco
más de 8 minutos en llegar a la tierra. Todos los planetas juntos sólo interceptan
aproximadamente 1/120 millonésimas de la radiación emitida que, como se sabe,
es consecuencia de las reacciones de fusión (hidrógeno de helio) termonuclear
que tienen lugar en el mismo. Las principales caracter sticas físicas del sol son:
Caract erís t icas de la radiación s olar
Distancia media de la tierra (u.a.)
Radio
Masa
Densidad media
Gravedad superficial
Temperatura efectiva superficial
Temperatura interior
Inclinación del eje de rotación respecto a la
eclíptica.
Consumo de masa por segundo
Radiación total emitida
Flujo de energía en la superficie solar
Flujo de energía que llega a la tierra
Radiación que llega a la atmósfera de la tierra
Radiación que llega a la superficie de la tierra
Ángulo sólido de la tierra desde el Sol
Ángulo sólido del Sol desde la tierra
149,6 x 10 6 Km.
0,606 x 10 6 Km.
1,991 x 10 30 Kg.
1,41 g/cm
2
273,8 m/s (28 veces la terrestre)
5.762 ± 50ºK
16,60 millones de ºK
7º
3,9 x 10 6 Tm H2
380 x 10 21 kW
6,34 kW/cm2
1,35 kW/m2 (47.000 veces menos)
173 x 10 12 kW
81 x 10 12 kW
5,68 x 10 -9 sr
6,85 x 10 -5 sr
u.a.= un idad astronómica
Fue nt e : I nves t igación Doct oral: “Formulación de un Mod lo de e st udio para e l aprovechamie nt o de la e ne rg ía
s olar me diant e convers ión f ot ovolt aica en e nergía e lé c
a par a s is t e mas de pe que ña pot e ncia ”
13
Un rayo de luz solar es además de la superposición de ondas electromagnéti
de frecuencias diferentes, de acuerdo con los principi s de la teoría cuántica u
ondulatoria, un haz de fotones de energía y cantidades de movimiento
diferentes. La energía de un fotón como vimos en E =h g, donde h es la constante
de Plank y ges la frecuencia en ciclos/segundo. La relación anterior nos indica que
para cualquier frecuencia o longitud de onda, ( l = cg ), la energía de la radiación
solar es siempre un múltiplo entero de h g. Por lo tanto, la radiación del sol (como
la de cualquier otra fuente) se puede considerar como n conjunto de fotones
cuya energía es función de la longitud de onda.
3 . 8 . 2 Energía s olar ext raordinaria. Se denomina radiación extra atmosférica
al valor de la radiación antes de penetrar la atmósfera terrestre. Este valor se
empleará como valor de referencia para los cálculos de la radiación a nivel
terrestre.
3 . 8 . 3 Cons t ant e s olar. Se define la Constante Solar, como la energía total
incidente sobre la unidad de superficie expuesta perpendicularmente a los rayos
solares y a la distancia Sol-Tierra de una unidad astronómica. La distribución de
esta energía como una función de la longitud de onda es lo que denomina
“espectro solar extraterrestre”. El valor normalizado
1.353 W/m2,
la Constante Solar es de
± 1,5 %
14
Wm -2 /µm
Gráf ica Nº 1 I rradiancia solar
3 . 8 . 4 Dis tribución
es pectral.
El espectro solar extraterrestre, es
el
representado en la siguiente figura, en la que se interrelaciona la intensidad de
radiación (irradiancia) solar en vatios/m2 mm , en función de la longitud de onda
l , en la tabla que se incluye a continuación, se tienen tabulados los valores de
esta curva, obtenidos por equipos de alta precisión y
eptados, junto con el
valor de la constante solar como valor de referencia a incluir en las normas ISO,
ASTM, etc.
15
Tabla Nº 1 Curva standard de irradiancia solar.
16
3 . 8 . 5 Variaciones de la energía s olar. Existen variaciones en los valores tanto
de la constante solar como de la distribución espectral, debido no sólo a los
diferentes sistemas y equipos de medida sino a posible variaciones de la emisión
solar o de la transparencia del medio a través del que se transmite la energía, sin
embargo, para nuestras necesidades los citados valores suelen ser de suficiente
precisión. Los valores de la constante solar y por tanto del espectro, varían a lo
largo del año, como queda reflejado en la tabla y se muestra en el Anexo.
Para aplicaciones de aprovechamiento de la energía solar lo que nos interesa es la
radiación solar y la distribución espectral al nivel de la superficie de la tierra,
una vez traspasada la atmósfera.
Además de la variación estacional del valor de la irradiancia solar antes indicada,
existe una variación diaria para cada punto de la superficie terrestre.
Coincidente esta última con la salida-mediodía-puesta solar del lugar.
Por otro lado, los valores instantáneos de la radiació
lar medida en cada lugar,
se pueden obtener mediante cálculo, en caso de no existir mediciones, teniendo
en
cuenta
los
parámetros
geográfico-astronómicos,
o
bien
realizando
correlaciones con otros parámetros de los que sí se di pone, como horas de sol,
etc. Así, tendremos que tener en cuenta relaciones como: el ángulo de inci
cia
de la radiación, la declinación solar, ángulo horario, intensidad de la radiación
incidente, etc., puesto que los valores de la radiación incidente hasta ahora
manejados se referían a superficies planas y perpendiculares a los rayos del sol,
sin embargo, sabemos que en muchas de las aplicaciones actuales, los paneles
suelen ser estáticos y el ángulo de incidencia varía, por tanto, en cada instante, y
con ello la energía incidente.
Por otro lado, ha de tenerse en cuenta el número denominado de masa de aire
que, en síntesis, es una medida de espesor de la capa
sférica.
m =
1
Cosz
=
A
H
,
17
en este caso considerando plana la capa atmosférica, a nque existen otros
modelos más sofisticados que tienen en cuenta la curvatura de la atmósfera. Al
medio día en el cenit solar z = 0 y m = 1 al nivel del mar y al incrementarse el
ángulo, irá aumentando el valor de m, denominado como AM1, AM2, etc. AM0 será
el valor correspondiente a la radiación extra atmosférica. El m
lo anterior
pierde validez cuando z se aproxima a 90º en las horas de salida y puesta del sol.
[
]
1
2
Un modelo más aproximado sería el siguiente m = (B cosz) + 2B + 1 2 − B cosz ,
donde, B, es la relación radio tierra/espesor atmósfer R/H, A, camino a través
de la atmósfera y z el ángulo cenital del lugar. Aún cabría añadir una corrección
por refracción cuando z se aproxima a 90º y otra corrección de altitud, ya que en
instalaciones a gran altitud m podrá ser inferior a la unidad ara z=0, ya que el
espesor atmosférico será inferior.
3 . 8 . 6 At enuación
y
dis pers ión
solar.
Las
diferentes
dispersiones que sufre la luz solar a lo largo de su c
absorciones
y
no a través de la
atmósfera terrestre, origina una atenuación (disminución) de la energía solar que
llega al nivel del suelo. Existen gran cantidad de mod os teóricos que tienen en
cuenta estas absorciones que tienen lugar debido a la presencia en la atmósfera
de elementos como: Ozono. Turbidez atmosférica o aerosoles. Atenuación
Rayleigh (dispersión atmosférica). Vapor de agua. Dióxido de carbono. Partículas
y gotas de agua, etc.
El análisis de la irradiación espectral difusa es bast
más complejo y aunque
existen algunos modelos, su validez suele ser muy restringida debido a la gran
cantidad y variabilidad de los elementos reemisores, r
iaciones dispersas en la
atmósfera y las reflexiones de la superficie de la tierra.
A esta situación en día claro hay que añadir el efecto de las nubes, asimismo, el
citado albedo de la superficie terrestre, sobre la que incide la irradiación solar
total.
Un
modelo
reciente que determina,
entre otros, la irradiación
18
monocromática total, directa y difusa, a nivel terrestre, es el de Hatfield, que
compara
sus
resultados
con
otros
trabajos
previamente
zados,
aventajándose en sencillez matemática, sin perder su precisión.
3 . 8 . 7 Caract erización del movimient o aparent e del sol. La potencia y energía
disponible por unidad de superficie, en un punto situado sobre la superficie de la
tierra, se ve afectada fundamentalmente por tres aspectos
donde:
r =
colectora.
Distancia Tierra-Sol.
G=Gº .r.t .cosΦ,
Φ =Angulo de incidencia sobre la placa
t = Efecto de absorción, dispersión de la atmósfera terrestre
3 . 8 . 8 Dis t ancia t ierra- sol. Denominado Gr = Go r, donde: r = es el parámetro
que tiene en cuenta la variación de la distancia Tierra-Sol, y que se puede
obtener por la siguiente expresión aproximada.
r = 1 + 0 . 033 cos(
72
N )
73
, donde: N =
es el día del año para el que deseamos conocer, r. Como se ve, su influencia es
como máximo de un 3,3 % sobre el valor medio.
3 . 8 . 9 Ángulo de incidencia de la radiación. La intensidad de radiación total
tiene por expresión
GT =Gr cosΦ,
donde:
Φ
= es el ángulo de incidencia de la
radiación, o sea, el ángulo entre la normal a la superficie considerada y la
dirección de los rayos solares que, dada la distancia
foco, el sol, se
consideran paralelos. Para la determinación de la infl encia de este parámetro
sobre la radiación incidente, consideraremos varios casos: paneles fijos, paneles
con seguimiento horizontal y paneles con seguimiento t
de incidencia,
Φ
l. El coseno del ángulo
supuesta la placa inclinada un ángulo B con respecto a la
horizontal y orientada al Sur, vale. cos
Φ = cos (L-B) cos
d cos + sen (L-B) sen
d , donde:
L = Latitud del lugar. B = Inclinación (orientada al Sur en el hemisferio Norte) de
la placa colectora solar, respecto al plano del horizonte. H = Ángulo horario
respecto al meridiano del mediodía solar del lugar, medido sobre el paralelo.
d = Declinación solar.
19
3 . 8 . 1 0 Declinación s olar. El valor aproximado de la declinación solar se puede
obtener de la relación d = 23 , 45 sen  72 ( 284 +
 73


N )
Aunque también existen otras
expresiones polinómicas más precisas que tienen en cue
la excentricidad de la
órbita terrestre.
3 . 8 . 1 1 Horas de sol- hora s olar. El ángulo horario de salida y puesta del Sol H
(respecto al plano del horizonte) se puede obtener haciendo
la expresión del Cos
Φ. hs =arc.cos(−tgLtgd )
Φ = 90º y B = 0, en
A partir de este ángulo hs de salida y
puesta del Sol, se pueden calcular las horas de sol. h =  2 arccos(tan
 15


gL tan g d  ,
conviene tener siempre la distinción entre hora solar verdadera, hora solar media
y hora oficial desarrolladas entre otras en UPM–I.E.S. = Electricidad solar
fotovoltaica. Sistema Fotovoltaico Autónomo.
3 . 8 . 1 2 Localiz ación del sol. Las coordenadas de situación del sol en cada
instante quedan determinadas para la altitud solar y el acimut solar, la Altitud
solar: sen g = sen dsenL + cos d cos L cos w y Acimut solar sen q = cos dsen w / cos g
La primera determinada por el ángulo en el plano verti al entre la horizontal del
lugar y la línea desde ese punto al sol y la segunda e ángulo en el plano horizontal
entre la proyección sobre este plano de la línea punto de ubicación del sol y el
meridiano del lugar.
20
Fig. 2 Geometría- Pos ición de l sol.
21
22
3 . 9 Principios bás icos de las células solares . En resumen, la energía de la
radiación solar puede ser transferida a un electrón de material semiconductor,
cuando el fotón choca con un átomo, con suficiente energía para desarticular un
electrón de una posición fija en el material (banda de valencia), a una posición de
movimiento libre en el material (banda de conducción).
La vacante del electrón hueco, se puede mover (relativamente), si otro vecino lo
ocupa, creándose una corriente, si este par es separado por un campo eléctrico
intrínseco del material. La creación y control de este campo o potencial
intrínseco, es la coartada que ha hecho posible la electrónica de los
semiconductores. La técnica más común para producir esta tensión es crear una
discontinuidad brusca en la conductividad del material de la célula (p.e., el silicio)
añadiendo impurezas o dopantes al material puro (célula homounión). El campo
intrínseco puede crearse también, uniendo dos semiconductores disimilares (CsS
y Cu2S) creando una célula heterounión, o uniendo un semiconductor y un metal
(Si amorfo y paladio) creando una célula unión barrera Sch ttky, etc. El
rendimiento
de
las
células,
como
veremos,
está
limitad
debido
fundamentalmente a que:
• Hay fotones con energía menor que la correspondiente a la anchura de la banda
prohibida del material.
• La energía transmitida a los electrones es mayor que la necesaria (ancho de
banda prohibida), y el exceso no puede utilizarse y ca
oda se disipa en forma
de calor.
• Hay una resistencia interna de la célula.
• Existe reflexión superficial de la radiación incidente.
• Hay recombinación (no todos los pares e-h llegan a la zona donde la tensión
intrínseca los separa.
• Hay imperfecciones en el cristal, etc.
23
Si se tiene ambos terminales de la célula solar o unión p-n iluminada y en circuito
abierto, la corriente en cualquier punto del diodo deberá ser
por tanto, al
efecto de la iluminación o sea al paso de electrones de p a n y huecos de n a p
dando una corriente que sea la suma de ambas, tiene que oponerse otra corriente
igual y de signo contrario o sea el paso de electrones
a p y de huecos de p a
n. esto último, equivale a bajar la barrera de potenci l de la unión. O sea que en
bornes de la célula aparecerá una diferencia de potencial (Vv), cuyo valor es
necesario para que circule una corriente a la generada por la luz.
Cuando la unión está polarizada en sentido inverso la fotocorriente y la corriente
inversa del diodo se suman. En el límite, cuando la tensión exterior aplicada es
cero (cortocircuito), la intensidad que circula es justamente la fotocorriente,
Icc. Cuando la unión está polarizada en sentido direct
ambas corrientes se
oponen la fotocorriente (que es independiente de la po arización), y la corriente
debida a la bajada de la barrera de la unión por efect
de la polarización
exterior aplicada. Durante un intervalo de valores de la tensión de polarización la
fotocorriente será mayor que la debida a la polarización directa del diodo y
ambas se restan. Para determinado valor de la tensión de polarización ambas son
iguales, condición equivalente a circuito abierto, es
denominada tensión de
vacío (Vv).
En el cuarto cuadrante, de la característica I-V de la célula de potencia V I es
negativa (-), o sea que la célula no consume energía (signo +), sino
e la produce.
Para calcular teóricamente estos valores de la corriente y la tensión citados
teniendo en cuenta la radiación solar incidente, tendremos que comenzar por
recordar las principales variables que intervienen y tratar de conjugarlos según
unos modelos teóricos más o menos simplificados que hagan posible su estudio.
24
3 . 1 0 Funcionamiento de un s is t ema solar f otovolt aico . Un sistema solar
fotovoltaico es un dispositivo que, a partir de la radiación solar, produce energía
eléctrica en condiciones de ser aprovechada por el hombre. El sistema consta de
los siguientes elementos, tal como se muestra en el esquema 1 que se muestra.
Es que ma 1. I nst alación s olar f otovolt aica s in inve rs or, ut ilizac i
a 1 2 o 24 Vc c
• Un generador solar, compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos, que
captan la radiación luminosa procedente del sol y la transforman en corriente
continua a baja tensión (12 ó 24 V).
• Un acumulador, que almacena la energía producida por e generador y permite
disponer de corriente eléctrica fuera de las horas de luz o días nublados.
• Un regulador de carga, cuya misión es evitar sobrecargas o descargas excesivas
al acumulador, que le produciría daños irreversibles;
asegurar que el sistema
trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia.
• Un inversor (opcional), que transforma la corriente co inua de 12 ó 24 V
almacenada en el acumulador, en corriente alterna de 2
V.
25
Es que ma 2. I nst alación s olar f ot ovolt aica con inversor, ut iliz ació
30 Vc a
Una vez almacenada la energía eléctrica en el acumulad r hay dos opciones:
•
Sacar una línea directamente de éste para la instalación y utilizar lámparas y
elementos de consumo de 12 ó 24 Vcc
•
Transformar la corriente continua en alterna de 230 V
través de un inversor
(ver esquema 2).
4 . MATERI ALES Y MÉTODOS
Seguidamente se describen los componentes de un sistema solar fotovoltaica a
ser utilizado en la electrificación de la posta médica del Caserío de Chocna San
Mateo Lima.
4 . 1 Convert idores CC/ CA o I nvers ores .
Los inversores son convertidores
estáticos de energía que convierten la corriente continua CC en corriente alterna
CA, con la posibilidad de alimentar una carga en alterna, regulando la tensión, la
frecuencia o bien ambas. Los inversores transfieren potencia desde una fuente
de continua a una carga de alterna.
Las aplicaciones típicas de los inversores de potencia pueden ser:
• Accionamientos de motores de CA de velocidad ajustable.
• Sistemas de alimentación ininterrumpida UPS.
26
• Dispositivos de corriente alterna que funcionan a partir de una batería.
• Computadoras, Hornos de inducción., etc.
a. Tipos de invers ores . Suelen distinguirse tres configuraciones o topologías e
inversores, con transformador de toma media, con batería de toma medio (medio
puente) y configuración en puente completo. Correspond
las tres formas más
razonables de realizar la función de inversión de tensión o corrient
suministrada por la fuente de CC con los medios disponibles, hoy día en
electrónica de potencia. Cada una de ellas tiene sus ventajas e inconvenientes,
independientemente de los semiconductores empleados en su realización y de su
circuitería auxiliar de excitación y bloqueo. En el ca
de la configuración se
debe tener en cuenta la relación de espiras entre cada uno de los primarios
(teniendo en cuenta que está en toma media) y el secundario.
La topología en medio puente se puede implementar con una batería y dos
condensadores en toma media o bien con una batería en toma media. Del análisis
del inversor en puente completo se puede intuir y deducir el funcionamiento de
los dos anteriores.
b. El invers or monof ás ico en puent e completo. El inversor en puente completo
está formado por cuatro interruptores de potencia totalmente controlados,
típicamente transistores MOSFETs o IBGTs. Las figuras
y 5.4d muestran
los circuitos equivalentes para algunas de las posibles combinaciones de los
interruptores. Igualmente, se muestra la tensión de salida que se obtiene al
cerrar determinadas parejas de interruptores.
c. I nt erruptores cerrados t ens ión de s alida vC. Los interruptores reales no se
abren y se cierran instantáneamente, por tanto, debe tenerse en cuenta los
tiempos de conmutación al diseñar el control de los interruptores. El
solapamiento de los tiempos de conducción de los inter
ores resultaría en un
circuito denominado, en ocasiones, fallo de solapamiento en la fuente de tensión
27
continua. El tiempo permitido para la conmutación se denomina tiempo muerto.
Para obtener una tensión de salida vC igual a cero se pueden cerrar al mismo
tiempo los interruptores. Otra forma de obtener una tensión cero a la salida
sería eliminando las señales de control en los interruptores, es decir,
manteniendo abiertos todos los interruptores.
4 . 2 El inversor con modulación por onda cuadrada. La técnica de modulación o
el esquema de conmutación más sencillo del inversor en puente ompleto es el que
genera una tensión de salida en forma de onda cuadrada. La conmutación
periódica de la tensión de la carga entre más VCC y menos VCC genera en la carga
una tensión con forma de onda cuadrada. Aunque esta salida alterna no es
sinusoidal pura, puede ser una onda de alterna adecuada para algunas
aplicaciones.
La forma de onda de la corriente en la carga depende de los componentes de la
carga. En una carga resistiva, la forma de onda de la corriente se corresponde
con la forma de la tensión de salida. Una carga inductiva tendrá una corriente
más sinusoidal que la tensión, a causa de las propiedades de filtrado de las
inductancias. Una carga inductiva requiere ciertas consideraciones a la hora de
diseñar los interruptores del inversor, ya que las cor entes de los interruptores
deben ser bidireccionales. Para ello, se suelen poner
iodos en antiparalelo con
cada uno de los interruptores. En el caso del ondulador en puente se utilizarían
cuatro diodos en antiparalelo con cada uno de los interruptores. Para el caso del
medio puente se utilizarían dos diodos, uno para cada interruptor.
La figura 5.5 muestra la forma de onda de la tensión de salida vC para un
inversor en puente de onda completa con modulación por onda cuadrada. Éste tipo
de modulación no permite el control de la amplitud ni del valor eficaz de la
tensión de salida, la cual podría variarse solamente si la tensión de entrada VCC
fuese ajustable.
28
El espectro de Fourier de una onda cuadrada es conocido, presenta todos los
armónicos impares, con una disminución de amplitud proporcional a la frecuencia
de los mismos.
4 . 3 El invers or con modulación por onda cuas i- cuadrada.
A la salida se ha
obtenido una tensión alterna, ésta no se parece en absoluto a una sinusoidal pura.
De hecho, recordará el lector que una onda cuadrada periódica pura tiene
infinitos armónicos sobre la frecuencia fundamental. P
solucionar este
inconveniente existen varias alternativas:
• La primera es añadir un filtro tipo LC a la salida, lo cual es costoso dado el
elevado número de armónicos de baja frecuencia que se filtran.
• La segunda alternativa es mejorar el control de los interruptores de potencia.
Una alternativa que permite ajustar el valor eficaz de la tensión de salida y
descartar los armónicos de baja frecuencia es la llamada onda cuasi-cuadrada o
cancelación de tensión, en la cual se mantiene un nivel de tensión nulo sobre la
carga durante parte del período. De esta manera, mejoramos el contenido de
armónicos de la tensión de salida. Para obtener éste tipo de onda, una posibilidad
sería la siguiente: cuando se desea tensión positiva en la carga se mantienen S1 y
S2 conduciendo (S3 y S4 abiertos). La tensión negativa se obtiene de forma
complementaria (S3 y S4 cerrados y S1 y S2 abiertos), y, como ya se ha
comentado, los intervalos de tensión nula se obtienen errando simultáneamente
los interruptores S1 y S3 manteniendo S2 y S4 abiertos o bien cerrando S2 y S4
mientras S1 y S3 se mantienen abiertos. Otra forma de obtener tensión nula a la
salida es manteniendo todos los interruptores abiertos durante el intervalo de
tiempo deseado. Si se efectúa un análisis de Fourier de la forma de onda cuasicuadrada, se observaría que están presentes los múltiples impares de la
29
frecuencia de conmutación, lo que significa que el filtraje de dicha señal para la
obtención apenas de la fundamental requiere un filtro on frecuencia de corte
muy próxima de la propia frecuencia deseada. Éste espectro varía de acuerdo con
el ancho del pulso.
4 . 4 Cont rol por modulación de anchura de pulsos PWM. Si se quiere mejorar
aún más el contenido de armónicos en la salida de un i versor, es necesario
utilizar lo que se conoce como modulación de anchura d
pulsos PWM (Pulse
Width Modulation). La idea básica es comparar una tensión de referencia
sinusoidal de baja frecuencia (que sea imagen de la tensión de salida buscada)
con una señal triangular simétrica de alta frecuencia cuya frecuencia determine
la frecuencia de conmutación. La frecuencia de la onda triangular (llamada
portadora) debe ser, como mínimo veinte veces superior a la máxima frecuencia
de la onda de referencia, para que se obtenga una reproducción aceptable de la
forma de onda sobre una carga, después de efectuado el filtraje. La señal
resultante de dicha comparación nos generará la lógica para abrir y cerrar los
semiconductores de potencia. Se muestra la modulación de una onda sinusoidal,
produciendo en la salida una tensión con 2 niveles, cu
frecuencia es la de la
onda triangular. Para una observación más detallada, se muestra la señal PWM en
un cuarto de la sinusoidal completa. A partir de la señal PWM se generan los
pulsos de apertura y cierre de los interruptores. Por ejemplo, si la se al PWM
tiene un valor alto, se cierran los interruptores S1 y S2. En caso contrario se
cierran los interruptores S3 y S4. Por tanto, la tensi n de salida, que es aplicada
a la carga, está formada por una sucesión de ondas rectangulares de amplitud
igual a la tensión de alimentación en continua y durac ón variable. El contenido de
armónicos de la tensión de salida se desplaza hacia la frecuencias elevadas y es
más fácil de filtrar.
30
Matemáticamente se puede demostrar que el contenido de armónicos de la señal
PWM generada es muy bajo en comparación con la onda cuadrada y cuasicuadrada. Se muestra el espectro de Fourier de la tensión de salida del inversor
monofásico PWM a 10kHz.
Por tanto, un filtro pasa bajos con frecuencia de corte por encima de la
frecuencia de referencia, es perfectamente capaz de producir una atenuación
bastante efectiva en componentes en la banda de los kHz. Como ya se ha
comentado, en el caso de que la carga tenga una cierta componente inductiva, es
necesario añadir diodos en antiparalelo con los transi
de potencia, para
permitir la circulación de corriente de la carga cuando se abren todos los
transistores. Si no se añaden diodos, se crean grandes sobretensiones debido al
corte instantáneo de la corriente por la inductancia de la carga, con lo que acaba
destruyéndose el convertidor de potencia.
4 . 5 S ist emas de Aliment ación I nint errumpida (UPS ) o (S AI s). Para alimentar
cargas biomédicas críticas, como son ordenadores que controlan procesos
importantes, equipos médicos, etc., es necesario el em leo de Sistemas de
Alimentación Ininterrumpida, abreviados por las siglas SAIs (del inglés UPS,
Uninterruptible Power Supply). Este tipo de sistema proporciona protecciones
frente a cortes de alimentación, así como regulación d
tensión frente a
fluctuaciones (por encima o por debajo) de los valores nominales. Además, se
emplean como supresores de transitorios y de armónicos en la línea de
alimentación.
Un diagrama de bloques de un SAI. En modo normal de operación, la potencia
suministrada a la carga proviene de la red de CA de la empresa suministradora.
En caso de producirse una fluctuación en la línea (corte, sobretensión, etc.), la
potencia es suministrada por el banco de baterías. Un SAI debe incluir un
cargador de baterías, para mantener la batería cargada en cualquier momento.
31
Los interruptores estáticos, también denominados interruptores de “by-pass”,
permiten alimentar la carga a través del inversor en menos de un cuarto de ciclo,
cuando ocurre un fallo en la red eléctrica. Otra función de los interruptores
estáticos es la de aislar el inversor cuando se desea efectuar su mantenimiento.
Básicamente existen dos posibilidades de implementar los interruptores
estáticos: utilizando tiristores o relés electromecáni s. Soluciones de bajo
coste utilizan generalmente relés. Su conmutación debe ser rápida, de modo que
no interrumpan la alimentación durante más de medio ciclo. Cuando la potencia
aumenta, el uso de tiristores es lo más habitual.
4 . 6 Accionamient o de corrient e alt erna. Para aplicaciones donde se requiere
mayor precisión o mejor calidad de energía, se utiliza convertidores del tipo
indirecto. La estructura más empleada es la de un rectificador en cascada con un
inversor PWM. Hoy en día, el empleo de este tipo de co
es está
desbancando el empleo masivo que en el pasado se hacía con los motores de CC.
4 . 7 Es t abilizador o Regulador Automát ico de Volt aje. Los estabilizadores
conocidos también como Regulador Automático de Voltaje, son diseñados en
chasis de gran durabilidad con alto aislamiento eléctrico adaptable a cualquier
ambiente de cómputo. El perfil de la línea de estabilizadores de alto rendimiento
que corrigen variaciones agudas de voltaje. Continuamente corrigen voltajes por
sobretensión y subtensión y voltajes que causan deterioro periférico de la
computadora. Incorporado con supresor gradual de sobre ensión que absorbe
picos y sobre voltajes en adición al Regulador Automático de Voltaje. Filtra los
ruidos de línea externa y armónicos dañinos, entregand una señal filtrado y
limpia de corriente alterna regulada, para todo equipo electrónico sensible a
fluctuaciones eléctricas.
32
4 . 8 Equipos especiales de bajo cons umo. También disponemos de equipos
especiales para uso con instalaciones de energía solar, diseñados para obtener el
máximo rendimiento posible con el mínimo consumo: Farolas solares, Neveras de
bajo consumo para energía solar y Bombas de alto rendimiento con bajo consumo,
las que son descritos.
4.9
Farolas
solare s .
Esta
farola
fotovoltaica
completamente autónoma y tiene una fácil instalación.
funciona
de
forma
requiere realizar
zanjas ni canalizaciones para su alimentación ya que se autoabastece de la
energía almacenada en su batería. Funciona a 12 V, lleva una lámpara de bajo
consumo (sodio baja presión) de 36 W, con un flujo luminoso de 4550 Lm., emite
una luz monocromática amarilla (590 Nm) lo que permite visibilidad aún en
condiciones de niebla. Incorpora un sistema crepuscular, basado en el
comportamiento del panel fotovoltaico, con lo que se c sigue que la farola solar
se active al anochecer y se apague a la salida del sol.
Fig. N° 4 Pane le s s olare s
33
4 . 1 0 N everas de bajo cons umo. Las neveras de bajo consumo están diseñadas
para optimizar al máximo su rendimiento con instalacio
de energía solar
fotovoltaica. Su consumo es hasta 10 veces inferior al de una nevera
convencional. Mientras que una nevera normal consume unos 1300 W en
4
horas, las neveras de bajo consumo consumen unos 140 W en 24 horas. Puede
funcionar a 12/24 V o 220 V.
Fig. N° 5 Ne ver as domés t icas
4 . 1 1 Elect robomba de bajo cons umo. El diseño de este tipo de electrobomba
bombas, de alto rendimiento, consigue los resultados de las electrobombas
convencionales pero con un consumo muy bajo, son perfectas con instalaciones
solares fotovoltaicas. Estas electrobombas permiten regar, sacar agua de pozos,
abastecer una vivienda, etc. con un consumo eléctrico o más bajo posible.
Fig. N° 6 Ele ctrobomba bajo consumo
34
4 . 1 2 Demanda máxima de la Pos t a Mé dica del Cas erío de Chocna. Se ha
estimado la demanda máxima de la Posta Médica, con equipos básicos necesarios
para su funcionamiento indispensable para la oportuna
n médica del
Caserío de Chocna, para mejorar la calidad de vida de los pobladores de dicha
localidad.
Tabla Nº 2. DEMANDA MÁXI MA DE LA POS TA MÉDI CA
Equipo Biomé dico
Bás ico
Pot enc ia I ns t alada
(W)
F. S.
Máxima De manda
(W)
200
1.0
100
- Cocina Eléctrica
3000
0.5
1500
- Microonda
4000
0.5
2000
- Iluminación
TOTAL
7200
3600
Fuente: Propia del Autor. Materiales básicos a ser instalados en la posta médica del Caserío de Chocna.
5 . RES ULTADOS
Una célula fotovoltaica, consiste en transformar directamente la energía
lumínica del sol en energía eléctrica por medio de las celdas fotovoltaicas. La
célula fotovoltaica, elemento encargado de transformar la energía solar en
eléctrica, se basa en un fenómeno físico denominado ef cto fotovoltaico, que
consiste en la producción de una fuerza electromotriz or acción de un flujo
luminoso que incide sobre la superficie de dicha célula. La célula fotovoltaica
más común consiste en una delgada lámina de un material semiconductor
compuesto principalmente por silicio de cierto grado d pureza, que al ser
expuesto a la luz solar absorbe fotones de luz con suficiente energía como
para originar el "salto de electrones", desplazándolos de su posición original
hacia la superficie iluminada. Al desprenderse estos electrones con su carga
negativa (N) originan la aparición de huecos o lagunas con cargas positivas (P).
35
Como los electrones tienden a concentrarse del lado de la placa donde incide la
luz solar, se genera un campo eléctrico con dos zonas
negativa, de la cara iluminada donde están los electro
en diferenciadas: la
s y la positiva en la cara
opuesta donde están los huecos o lagunas. Si ambas zonas se conectan
eléctricamente mediante conductores adheridos a cada u a de las caras de la
placa el desequilibrio eléctrico origina una fuerza el
romotriz o diferencia de
potencial, creando una corriente eléctrica para igualar las cargas. Dicha
corriente, obviamente continua, se genera en un proces
constante mientras
actúe la luz solar sobre la cara sensible de la lámina.
Fig. N° 7 Conve rs ión de la e ne rgía solar e n e lé ct rica
El
calentamiento
Global.
Este
es
un
panorama según
Greenpeace el
calentamiento global. Es por ello que tenemos que poner nue ro grano de arena y
usar la energía solar para detener este efecto. Viva la Energía Solar.
36
Fig. N° 8 Cale nt amie nt o global e n e l plane t a t ie rra
Nosotros podemos cambiar este horrible panorama poniendo nuestro granito de
arena, utilizando cada vez más la energía solar, y ahorrando en lo más que se
pueda para no desperdiciar energía eléctrica no generada por el sol.
Recomendemos este tipo de páginas a todos nuestros con
os, ya que persona
que oye sobre la energía solar, persona que se apasiona sobre la misma.
Aproximadamente proveen 0,5 volt cada una de las fotoc
as, las cuales pueden
conectarse en serie o en paralelo. Si se conectan en serie incrementan el voltaje
ya que se suma el voltaje individual de cada una de la fotocélulas solares. Si se
conectan en paralelo el voltaje se mantendrá constante al de una célula pero
incrementará el amperaje.
6 . DI S CUS I ÓN
6 . 1 Los gastos ocult os de la energía eléctrica. Una de las interrogantes es si
las energías renovables, son la mejor alternativa. Cua
o se trata de reducir el
gasto energético, todos conocemos unas cuantas medidas simples que pueden
ayudar a reducir la factura, como apagar las luces y a
atos eléctricos que no
estemos usando o sustituir las bombillas convencionale por las de bajo consumo.
Es importante ser conscientes de que no se trata solamente de una cuestión de
ahorro, sino también de preservar nuestra salud y medi ambiente. El impacto
ambiental que produce la generación de electricidad co energías convencionales
37
-los combustibles fósiles- es mucho más superior al de las energías renovables.
Sin embargo, además del coste ambiental y sanitario que la producción de energía
produce, existen “costes ocultos” que se derivan a la sociedad, es lo que se llaman
los costes externalizados o externalidades.
Los Costes Externalizados procedentes de las energías convencionales pueden
estar causados por el cambio climático, enfermedades l borales ambientales o
contaminación del aire y agua. Son costes indirectos difíciles de cuantificar pero
no por ello dejamos de pagarlos, ya que aunque no se pagan en el precio del
kilovatio, los consumidores lo pagan a través de los impuestos como son los gastos
sanitarios, daños ambientales, residuos nucleares o es
tégicos. Estudios
realizados en este ámbito, destacan que una gran parte de estos costes proceden
de las centrales térmicas de carbón, debido en su mayor parte a las emisiones
contaminantes de óxido de nitrógeno, dióxido de azufre y hollín.
6 . 2 S ubvencione s y déf icit t arif ario . A pesar de las externalidades producidas
por las centrales térmicas de carbón, petróleo y gas y las centrales nucleares,
estas reciben subvenciones encubiertas por parte del e tado que además, la
mayoría ya han amortizado y que sin embargo siguen facturando a los actuales
precios de mercado. Tan sólo en 2009 las ayudas directas al carbón superaron los
1.300 millones de euros. Los costes de generación de e ectricidad son caros, sin
embargo a las empresas energéticas no les interesa controlarlos mientras el
Estado siga comprometiéndose a cubrirlos. Financiadas
or la sociedad, las
subvenciones al sector de los combustibles fósiles además les permite
más
competitivos en perjuicio de las energías renovables.
Por otro lado, desde hace unos años en España se está
nerando un déficit
tarifario que se debe al desequilibrio entre las tarifas -reguladas por el Estadoy el coste de las materias primas y el aumento de la i flación. Informes de la
38
Comisión Nacional de la Energía (CNE) reconocen cientí icamente que la energía
barata incita a un mayor consumo, algo que también ben ficia al sector eléctrico
y a su vez, a un gasto desmesurado. José Luis García,
sponsable de la Campaña
de Energía de Greenpeace, señala que para que las tari as eléctricas fuesen
efectivas, deberían reflejar los costes reales y potenciar una política activa que
promoviera el uso racional de la energía, la eficiencia energética y el ahorro.
Ajustando las tarifas acorde al nivel de consumo, de f ma que quien consuma
más tenga recargos mientras que el que consuma menos s
beneficie de unos
precios más económicos.
6 . 3 Las energías renovables . La mejor alternativa según el estudio “Costos
ocultos de la energía: consecuencias no valoradas de su uso y producción”,
elaborado por el National Research Council (NRC) de Estados Unidos en 2005,
revela que los daños causados por las emisiones de dióxido de carbono (CO2)
tendrán un impacto por tonelada que se incrementará entre un 50% y un 80% en
2030. Las ventajas de las Energías Renovables frente al de otras fuentes
energéticas son numerosas e importantes: son limpias,
o se agotan, son
autóctonas y son las más baratas, puesto que no tienen costes externalizados
sino que contabilizan todos sus costes en el precio de la energía que generan. Las
energías renovables no reciben ayudas por parte del Estado como los
combustibles fósiles, de modo que no pueden vender la energía más barata. Para
que puedan competir, reciben un premio por su calidad, sobre todo ambiental,
situándolas sólo en parte en igualdad de condiciones con las demás fuentes de
energía. Este incentivo compensatorio es con cargo al sistema eléctrico, es decir,
se paga con la energía producida.
Asimismo, aseguran que si los costes externos se internalizarán, las renovables
competirían con mucha ventaja sobre las tradicionales, pues las subvenciones
directas e indirectas así como las externalidades, distorsionan el mercado
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eléctrico a favor de las fuentes convencionales. Un ejemplo son los 15.000
millones de euros que recibe anualmente la energía nuclear en subvenciones. Para
ajustar esta desproporción en el mercado eléctrico, se debería llevar a cabo una
reforma fiscal que gravara a las fuentes de energía contaminantes. Además,
según el Programa europeo Al tener, que promueve el us de fuentes de energía
renovables, estas podrían dar empleo a 900.000 personas en 2020.
6 . 4 Las energías renovables . España es una potencia mundial en energías
renovables, sobre todo eólica, solar, minihidráulica,
omasa y biocarburantes,
situándose entre los cinco principales países inversores en fuentes de energías
limpias. La eólica es la energía renovable más utilizada en nuestro país, que con
más de 9.000 MW cuenta con más potencia instalada que
energía nuclear,
habiendo sido capaz de cubrir en determinados periodos más del 40 % de la
demanda eléctrica nacional.
El mercado fotovoltaico es de los de mayor crecimiento en los últimos años, con
dos de las tres principales plantas fotovoltaicas del
importantes avances en investigación e innovación, se
neta. Gracias a
n conseguido desarrollar
células fotovoltaicas o aerogeneradores eólicos de última generación. Es
importante recordar el desastre provocado por el petrolero Prestige en la costa
gallega, que puso en evidencia los costes ambientales
las energías
convencionales y la necesidad de apostar por un modelo energético basado en las
renovables.
6 . 5 Energía solar f ot ovolt aica de concent ración. Las células solares o células
fotovoltaicas convierten directamente la luz del sol e
energía eléctrica
basándose en el efecto fotovoltaico. Los concentradore fotovoltaicos (CPVsConcentrating Photovoltaics), concentra la radiación solar en una célula
fotovoltaica altamente eficiente. Esta tecnología ha i o evolucionando en los
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últimos años hasta conseguir unos paneles o colectores solares el doble de
eficientes que los paneles convencionales. Sus impulso
s aseguran que en pocos
años las placas solares de concentración producirán energía más barata que la
fotovoltaica actual, aunque señalan que para ello necesitarán un mayor avance
tecnológico además de unas condiciones más favorables
un marco legal
adecuado. Por otro lado, un uso más extendido de este tipo de energía
contribuiría a reducir las emisiones de millones de to eladas de monóxido de
carbono.
6 . 6 N ueva generación de paneles solares . Los nuevos paneles o colectores
solares están formados por unas complejas células solares fabricadas con
materiales semiconductores compuestos, como el arseniuro de galio en vez de en
el tradicional silicio, y que se llevan utilizando desde hace años en los paneles de
satélites y naves espaciales. Esta nueva generación de paneles solares permite
aprovechar hasta un 40% de la radiación solar, que sup ne el doble que los
paneles solares tradicionales, que sólo consiguen una
ciencia de entre el 12% y
el 20%. Sin embargo, debido a que los materiales que se utilizan todavía son muy
caros, se utilizan células muy pequeñas (entre 2 mm2 y 2 cm2) que a través de
diversos elementos como lentes, espejos y prismas concentran los rayos solares
sobre las células, consiguiendo ampliar hasta mil el nivel de radiación solar,
produciendo de este modo más energía.
Estas lentes y espejos que forman los seguidores solares o helióstatos también
contribuyen a aumentar el coste. No obstante, la creci
e expansión del
mercado de este tipo de tecnología, así como el continuo desarrollo de los
sistemas solares de concentración que incidirá en una
contribuirá a una considerable reducción
or eficiencia,
de costes. Así pues, desde
organizaciones como CPV Today, creada para generalizar este sistema, calculan
que esta nueva generación de células solares podría alcanzar una eficiencia del
50% antes del 2015, lo que abarataría su coste en un 62%.
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6 . 7 Usos de las celdas f otovolt aicas . Desde hace bastantes años las celdas
fotovoltaicas, se está aplicando esta tecnología en la investigación espacial, en
los paneles de las naves espaciales y los satélites, q
requieren de unas placas
eficientes y con una superficie lo más reducida posibl
En Tierra, el uso de estas
nuevas placas está más bien dirigido a un uso a nivel industrial. Para ello se
construyen plantas con gran cantidad de placas solares, consiguiendo potencias
de más de 100 megavatios. La energía producida se puede suministrar
directamente a la red eléctrica o usarse para producir hidrógeno, una de las
grandes promesas de las energías limpias. También pued n utilizarse como las
fotovoltaicas actuales, de forma individual, con una potencia de unos pocos
kilovatios, aunque técnicos en la materia no considera
que sea la opción más
interesante para esta tecnología.
6 . 8 Algunos inconvenient es por resolver . Esta tecnología actualmente ve
limitada su expansión comercial debido a una serie de
ctores, como es el hecho
de que el funcionamiento de las células sólo sea adecuado en días despejados y
con radiación directa, reduciendo su uso óptimo a luga s muy soleados y
situados en el ecuador del planeta. Otro factor a mejorar son las pérdidas de
eficiencia al concentrar la radiación solar sobre el concentrador. España ocupa el
tercer lugar detrás de EE.UU. y Alemania en este ámbito, tanto en investigación
y desarrollo como en implantación de plantas solares fotovoltaicas de
concentración.
Un ejemplo es el Instituto de Sistemas Fotovoltaicos de Concentración, en
Puertollano (Ciudad Real), un Centro de I+D, pionero en el mundo que cuenta on
la colaboración de varias empresas, universidades e instituciones, entre otras el
Gobierno de Castilla-La Mancha o el Instituto de Energía Solar de la Universidad
Politécnica de Madrid y financiado parcialmente por el Ministerio de Educación y
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Ciencia. Hay varias plantas en España en funcionamiento con una potencia de unos
15 MW y conectadas a la red, donde se prueban las diversas tecnologías
disponibles, con uso de células de silicio así como células de alta eficiencia.
Un ejemplo es la empresa Guascor Fotón, que con la ayuda del Instituto para la
Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE), cuen
con un panel de
concentradores de células de silicio de 200 m2 y tienen una concentración de 400
soles (40 vatios por cm2). Los paneles están conectados a la red de Iberdrola,
siendo pionera en Europa en poner en marcha una instalación comercial de este
tipo.
6 . 9 Fut uro de es t a t e cnología . Los costes actuales de estas paneles son
similares a los de la energía fotovoltaica convencional, se estiman que en corto
plazo, gracias al desarrollo tecnológico, una normativa adecuada y un crecimiento
del mercado harán esta tecnología más competitiva, lle
o incluso a ser más
económica que la fotovoltaica actual. Que esta tecnología está en plena ebullición
lo prueba la masiva asistencia de expertos internacionales a los más recientes
congresos sobre el sector.
REFERENCI ALES
- BALDOVINO. RAMOS. CALDERÓN Víctor. Energía Eólica en el Perú. Primera
Edición. 260 Páginas. Año 2007.
- Electrónica Industrial: Técnicas de Potencia (2ª edición). Editorial: MarcomboBoixareu Editores, 1992
- INTI LLAMKACHIY. Aprovechamiento de la energía solar e
el Perú.
Asociación Peruana de Energía Solar. Nº 1. Año 1983.
- MOHAN T. M. Undeland. Power Electronics. Converters, Applications, and
Design (2ª Edición). Editorial: John Wiley & Sons, 1995.
43
- Normas Técnicas Rurales del Ministerio de Energía y Mi as. Uso de Sistemas
Renovables. Sistemas Fotovoltaicos.
- PEREIRA DE MELLO, Luiz Fernando. Análise e Projeto de Fontes Chaveadas.
Editora Érica Ltda, 1996.
- RASHID h. Muhammad. Electrónica de Potencia-Circuitos, Dispositivos y
Aplicaciones. Prentice Hall Hispanoamericana, S.A., 1993.
- VERITAS FORMACIÒN, Bureau. Energía Solar Fotovoltaica. 4ta Edición. 2005.
Editorial Fundación Confemetal, 245 Páginas.
I nf oref erencias
- E-mail:www.fundacionconfemetal.com
- http://www.perusolar.org/revista1/pages/carátula_jpg.htm
- SIEMENS:www.siemensolar.com/spanish/
- TUDOR:www.exide.com
- [email protected]
- www.parquessolaresdenavarra.com
- www.epri.com
- www.eco-peru.com
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APÉN DI CE
Tabla Nº 1. Caract e rís t icas de la r adiación solar
Distancia media de la tierra (u.a.)
149,6 x 10 6 Km.
Radio
0,606 x 10 6 Km.
Masa
1,991 x 10 30 Kg.
Densidad media
1,41 g/cm
273,8 m/s2 (28 veces la terrestre)
Gravedad superficial
Temperatura efectiva superficial
5.762
Temperatura interior
±
50ºK
16,60 millones de ºK
Inclinación del eje de rotación respecto a la eclíptica.
7º
3,9 x 10 6 Tm H2
Consumo de masa por segundo
380 x 10 21 kW
Radiación total emitida
6,34 kW/cm2
Flujo de energía en la superficie solar
1,35 kW/m2 (47.000 veces menos)
Flujo de energía que llega a la tierra
Radiación que llega a la atmósfera de la tierra
173 x 10 12 kW
Radiación que llega a la superficie de la tierra
81 x 10 12 kW
Ángulo sólido de la tierra desde el Sol
5,68 x 10 -9 sr
Ángulo sólido del Sol desde la tierra
6,85 x 10 -5 sr
u.a.= unidad astronómica
Fue nt e: Investigación Doctoral: “Formulación d e un Mode lo d e stud io para e l aprovechamie nto de la
energ ía s olar mediante conversión fotov oltaica en e nergía eléctr ica para s istemas de pe queña p otencia”
Tabla Nº 2. DEMANDA MÁXI MA DE LA POS TA MÉDI CA
Equipo Biomé dico
Bás ico
Pot enc ia I ns t alada
(W)
F. S.
Máxima De manda
(W)
200
1.0
100
- Cocina Eléctrica
3000
0.5
1500
- Microonda
4000
0.5
2000
- Iluminación
45
TOTAL
7200
3600
Fuente: Propia del Autor. Materiales básicos a ser instalados en la posta médica del Caserío de Chocna.
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