SISTEMAS SOLARES FV Y

SUBSISTEMAS

UNIVERSIDAD ANTONIO JOSE CAMACHO

INGENIERIA

CONTENIDO

1. RECURSO SOLAR. 2. EFECTO FOTOVOLTAICO. TEORIA DE LOS

SEMICONDUCTORES 3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION 4. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA 5. CONDICIONES DE MEDIDA ESTANDAR STC 6. TIPOS DE CELULAS 7. MODULO FOTOVOLTAICO 8. SELLOS DE CALIDAD 9. TIPOLOGIAS DE SISTEMAS SOLARES

FOTOVOLTAICOS 10. REGULADOR DE CARGA 11. INVERSOR 12. ESTRUCTURA

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Masa solar = 330.000 la masa de la Tierra

Diámetro del sol = 1,4 millones de km

Potencia emitida = 385 x 10^24 W

Porcentaje de captación de la Tierra = 4.57 x 10^-8 %

Constante solar

NATURALEZA Y DISPONIBILIDAD DE LA RADIACIÓN SOLAR

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El valor de la constante solar varía con el día del año de acuerdo a la

siguiente ecuación.

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La suma de la potencia solar que incide sobre una

superficie, que forma un ángulo b cambia a lo largo del

día. Por lo tanto, la suma de la potencia por día que

incide sobre esa superficie situada fuera de la

atmosfera se calcula como la suma de todos los valores

producidos a lo largo del día.

ABSORCIÓN Y DISPERSIÓN DE LA LUZ POR LA ATMOSFERA

Flujo energético entre el sol, la atmosfera y el suelo

La radiación electromagnética interacciona con las moléculas de los

gases componentes de la atmosfera, dando lugar a la absorción y a la

dispersión

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Componentes de la radiación

solar

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La radiación reflejada depende de la capacidad de una superficie para

reflejar la radiación solar y se mide con el coeficiente de albedo calculado

para cada material

Radiación reflejada

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2. EFECTO FOTOVOLTAICO. TEORIA

DE LOS SEMICONDUCTORES

• Se basa en la conversión de la energía lumínica proveniente del Sol en energía eléctrica.

• Células solares. Constituidos por materiales semiconductores en los que se ha creado un campo eléctrico artificial

• Silicio: - Abundante en la corteza terrestre (Sílice) - El átomo (SI) contiene 14 electrones, de los cuales 4 de

ellos se encuentran en su capa 3 (capa de valencia). - Enlaces covalentes estables y fuertes.

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• Material semiconductor por excelencia: silicio.

• Otros materiales o elementos:

- Arseniuro de Galio

- Selenio de Germanio

- Telururo de Cadmio

- Diseleniuro de Cobre e Indio

- Antimonio de Indio

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La teoría cuántica describe las diferencias entre conductores (metales) y

semiconductores usando diagramas de bandas de energía.

• La energía que un electrón debe adquirir para saltar esa banda prohibida se

llama energía del GAP (Eg).

• Unidad = electrón volt (eV) = Es la energía que adquiere un electrón cuando

aumenta su voltaje en 1 Voltio (1eV = 1.6 x 10^-19 J).

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El efecto fotovoltaico tiene lugar cuando un electrón de la banda de

valencia de un material (normalmente un semiconductor) es liberado

a la banda de conducción al absorber un fotón con la suficiente

energía que incide en el material.

De donde puede venir esa cantidad de energía capaz de liberar un electrón?

Puede ser por temperatura, o en el caso del efecto FV de la energía de los

rayos del sol, fotones.

En el caso de los fotones, estos se caracterizan por su frecuencia o por

su longitud de onda, así como por su energía.

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DOPADO

El BORO y el FOSFORO tienen un tamaño parecido al

SILICIO

• Células solares: Constituidas por materiales semiconductores en los que, artificialmente, se ha creado un campo eléctrico constante (mediante una unión p - n). Son Diodos con una gran superficie expuesta al sol.

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3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION

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La corriente neta que circula por el exterior vendrá dada por la suma

algebraica de las dos componentes de corriente (Corriente

fotogenerada y corriente de diodo)

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La forma de representación de una célula solar fotovoltaica adopta el

convenio de signos de considerar positivas las corrientes de generación. Con

este convenio, el primer cuadrante del plano I – V corresponde al

funcionamiento de la célula entregando corriente a una carga bajo tensión

positiva, de esta forma, el dispositivo opera como generador de energía.

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CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO Y TENSION DE CIRCUITO ABIERTO

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• La resistencia seria de la célula Rs, es una resistencia interna

debida a factores como la resistencia del propio semiconductor

con que se fabrica la célula.

• La resistencia paralelo Rp, aparece debido a imperfecciones en la

calidad de la unión pn, y es responsable de la existencia de fugas

de corriente.

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• Efecto de la resistencia serie Rs

• Efecto de la resistencia paralelo Rp

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CURVA DE POTENCIA. PUNTO DE MAXIMA POTENCIA

• Para cada punto de la curva V – I se tiene un valor de voltaje y

corriente de trabajo.

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FACTOR DE FORMA

EFICIENCIA DE CONVERSIÓN

• Cuantificador de la forma de la curva característica (fill factor).

• Ambos productos se aproximan más cuanto más pronunciado sea

el codo de la curva característica.

• Es el cociente entre la máxima potencia eléctrica que se puede

entregar a la carga y la potencia de la radiación G incidente sobre

el dispositivo.

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4. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA

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5. CONDICIONES DE MEDIDA

ESTANDAR STC • IRRADIANCIA: 1000 W/m2 • DISTRIBUCION ESPECTRAL: AM 1,5 • INCIDENCIA NORMAL • TEMPERATURA DE LA CELULA: 25⁰C

En estas condiciones se miden la potencia máxima que puede entregar el modulo (Pmax), la corriente de corto circuito (Icc), y la tensión de circuito abierto (Vac). Características dadas por los fabricantes

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6. TIPOS DE CELULAS SOLARES

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El silicio cristalino es el más utilizado. • Silicio monocristalino: Paneles cristalinos

homogéneos están hechos de cristal de silicio cristalino de alta pureza.

Color oscuro homogéneo. Gran eficiencia a lo largo del tiempo. Lingote cilíndrico. • Silicio policristalino: Los cristales que componen las

células se agregan adoptando formas y direcciones diferentes.

Las obleas son cuadradas. Eficiencia menor al silicio monocristalino Son claramente visibles los granos cristalinos

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En qué se está trabajando????

• Encontrar nuevos materiales semiconductores que puedan absorber la luz solar en capas extremadamente finas.

• Depositar estas capas finas sobre sustratos baratos (platico, vidrio, etc.)

• Depositar estas láminas delgadas por métodos simples y de fácil adaptación a procesos industriales en gran escala.

• Procesos de fabricación mas cortos y que demanden menos energía.

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PANELES DE CAPA FINA

• Las células de capa fina están compuestas por material semiconductor depositado, normalmente como mezclas gaseosas, en soportes tales como vidrio, polímeros o aluminio, que le dan una consistencia física a la mezcla.

• Ahorro de material.

1. Silicio amorfo; 2. CdTeS (telururo de cadmio-sulfuro de cadmio); 3. GaAs (arseniuro de galio) 4. CIS, CIGS y CIGSS

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7. MODULO FOTOVOLTAICO

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• Un modulo fotovoltaico es el conjunto más pequeño, completo medioambientalmente protegido, de células interconectadas.

• El tiempo de vida aproximado es de 25 años.

• Tiempo útil determinado por la duración del encapsulado que debe ser impermeable al agua y resistir la fatiga térmica y la abrasión

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PARAMETROS TERMICOS

• TONC. Temperatura de Operación Nominal de Célula. Esta se mide bajo condiciones de referencia de 800 W/m2, 20 grados de temperatura ambiente, velocidad de viento de 1m/s, circuito abierto, incidencia normal.

• COEFICIENTE DE TEMPERATURA PARA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO. Cambio de la corriente de cortocircuito de un dispositivo por unidad de cambio de temperatura. α

• COEFICIENTE DE TEMPERATURA PARA LA TENSION A CIRCUITO ABIERTO. Variación de la tensión a circuito abierto por unidad de cambio de temperatura. Β

• COEFICIENTE DE VARIACION DE LA MAXIMA POTENCIA CON LA TEMPERATURA. Cambio de la máxima potencia por unidad de cambio de temperatura. γ

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COMPORTAMIENTO EN CUALQUIER CONDICION DE

OPERACION

• La temperatura de trabajo de las células depende de la irradiancia y de la temperatura ambiente

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PUNTO DE TRABAJO

• La carga resistiva establece el punto de operación del modulo fotovoltaico

• Los sistemas MPPT permiten transferir la máxima potencia del generador a la carga

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SOMBRAS Y PUNTO CALIENTE

• El calentamiento en una célula es causado por una tensión de inversa resultante de la baja corriente de salida de esa célula. Esta baja salida puede ser debida a un total o parcial sombreado o por rotura de la célula.

• Una célula totalmente cubierta se comporta como un diodo.

• Los problemas de tensión inversa pueden reducirse con el empleo de diodos de paso o de by pass.

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• Los diodos de paso se conectan en paralelo con la célula o grupos de células, con el fin de permitir que la corriente tenga un camino alternativo en el caso de existir células rotas o en sombra, para impedir daños por puntos calientes.

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A la sombra, una célula FV constituida por una unión P-N deja de producir energía y se convierte en una carga pasiva. La célula se comporta como un diodo que bloquea la intensidad producida por el resto de células conectadas en serie, poniendo en peligro toda la producción del módulo. Además, el diodo depende de la tensión del resto de células y esto puede causar la perforación de la unión por un sobrecalentamiento localizado (punto caliente) y daños al módulo.

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8. SELLOS DE CALIDAD

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9. TIPOLOGÍAS DE SISTEMAS

SOLARES FOTOVOLTAICOS

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10. PANORAMA DE ENERGIAS RENOVABLES

EN COLOMBIA

LEY 1715 – 13 de mayo de 2014. Por medio de la cual se regula la integración de las

energías renovables no convencionales al sistema energético nacional.

La presente ley tiene por objeto promover el desarrollo y la utilización de las fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, en el sistema energético nacional, mediante su integración al mercado eléctrico, su participación en las zonas no interconectadas y en otros usos energéticos como medio necesario para el desarrollo económico sostenible, la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la seguridad del abastecimiento energético. Con los mismos propósitos se busca promover la gestión eficiente de la energía, que comprende tanto la eficiencia energética como la respuesta de la demanda

QUE BUSCA? QUE PERMITIRA?

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ESTRUCTURA DE LA LEY 1715

CAPITULO I: Disposiciones generales, objeto, conceptos claves de FNCER/GEE, competencias institucionales.

CAPITULO II: Generación de electricidad con FNCE y gestión eficiente de energía.

CAPITULO III: Incentivos a la inversión en FNCE. CAPITULO IV-V: Desarrollo y promoción de las FNCE y GEE en general. CAPITULO VI: Desarrollo y promoción de las FNCER y GEE en las ZNI. CAPITULO VII: Acciones ejemplares del gobierno nacional y la

administración publica. CAPITULO VIII: Ciencia y tecnología. CAPITULO IX: Consideraciones medioambientales. CAPITULO X: Seguimiento y cumplimiento.

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INCENTIVOS E INVERSIONES EN ER

Hasta el 50% de inversión deducible de su renta en 5 años. Exención de IVA a equipos, elementos, maquinaria y servicios para

producción, utilización y medición ER. Exención de aranceles Incentivo contable: régimen de depreciación acelerada de activos. Para ZNI – prorroga FAZNI hasta 31.12.2021; promoción soluciones

hibridas; fomento uso fuentes renovables locales, fomento esquemas empresariales vía nuevo FENOGE.

FENOGE: FONDO DE ENERGIAS RENOVABLES NO CONVENCIONALES Y GESTION EFICIENTE DE LA ENERGIA

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11. REGULADOR DE CARGA

El regulador de carga es el dispositivo encargado de proteger a la batería frente a sobrecargas y sobredescargas.

El tiempo de vida útil del acumulador depende del regulador. La sobrecarga produce el fenómeno de sobrecarga y calentamiento. El regulador debe ser configurado específicamente en función del tipo

de batería, aplicación y condiciones climáticas.

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1. Tensión nominal: Igual a la del sistema, usualmente 12, 24 o

48 V

2. Corriente máxima que permite que circule a través de el:

Debe ser al menos un 25% mayor a la máxima corriente del

generador fotovoltaico.

3. Existencia de compensación con la temperatura: Las tensiones

que indican el estado de carga de la batería varían con la

temperatura, por eso algunos reguladores miden la

temperatura y corrigen, basándose en ello, las tensiones de

sobrecarga.

4. Protección contra corto circuito.

5. Protección frente a sobretensiones debidas a descargas

atmosféricas (rayos).

6. Indicación de la función de carga en cada momento, así como

indicación de la intensidad y de la tensión.

7. Gasificación.

8. Seguimiento del punto de máxima potencia.

PARAMETROS CARACTERISTICOS

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REGULADOR SERIE

Uso general.

Elemento interruptor conectado entre el modulo y la batería,

y otro entre la batería y el consumo.

Electrónica de potencia. Conmutación rápida de los

interruptores.

Algoritmos que ajustan el estado de carga de la batería (SOC).

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REGULADOR PARALELO

El elemento conmutador es conectado en

paralelo al modulo.

El modulo es cortocircuitado cuando la

batería se encuentra plenamente cargada.

Se integra un diodo de bloqueo con el fin que

la batería no quede en cortocircuito.

El diodo de bloqueo evita que los paneles se

comporten como cargas nocturnas.

Existen perdidas de energía.

La electrónica de potencia requiere grandes

disipadores de calor con el propósito de

superar elevadas corrientes del generador FV.

Las constante elevadas corrientes de

cortocircuito del generador pueden degradas

y disminuir la vida útil del generador FV.

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SEGUIMIENTO DEL PUNTO DE MAXIMA POTENCIA MPPT

Se basa en convertidores DC/DC.

Transforma la tensión de salida del modulo a la tensión

requerida para cargar las baterías.

La etapa DC/DC contiene un algoritmo capaz de medir la

curva V-I del modulo e identifica la tensión del punto de

máxima potencia.

Conversor Elevador, Reductor o elevador – reductor.

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Método directo: Mide la corriente y la tensión de salida del

generador y varia el punto de trabajo del generador.

Método indirecto: Mide una o varias señales externas

(irradiancia, temperatura, etc)

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PARAMETROS DE REGULACION

Tensión de corte por sobrecarga: Máxima tensión que el

regulador permite que alcance la batería. Desconexión o

limitador de corriente. Dicha tensión depende de las

características de la batería, temperatura, etc.

Tensión de rearme de carga: Tensión a la cual el generador se

conecta para cargar nuevamente la batería.

Tensión de corte por sobre descarga: Valor mínimo de

tensión al que la batería esta conectada al consumo.

Tensión de rearme de descarga: Es la tensión a la cual el

regulador vuelve a conectar la batería al consumo.

Algoritmos de control: Se pueden clasificar en dos. El primero

de ellos es control ON/OFF y el segundo es control PWM.

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12. INVERSOR

Son circuitos electrónicos de potencia que transfieren

energía desde una fuente de continua a una fuente de

alterna.

Los inversores de sistemas autónomos suelen conectarse a

la batería (a través del regulador), con una tensión de

entrada bastante estable

Los inversores para conexión de la instalación fotovoltaica a

la red eléctrica son los que suelen requerir mayores

exigencias.

Los inversores son de tipo autoconmutado, se controla

tanto el encendido como el apagado de los interruptores.

Puede operar como fuente de tensión o como fuente de

corriente.

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Clasificación según el tipo de onda: Cuadrada, senoidal pura,

senoidal modificada.

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Control de onda cuadrada. Este control permite variar la

frecuencia mas no la amplitud de la onda.

Control de fase. Es posible controlar el contenido armónico. Se

controlar la tensión de salida.

Control PWM senoidal. (Pulse Width Modulation). Método que

disminuye la tasa de armónicos. Los armónicos presentan

frecuencias altas, haciendo mas sencillo el filtrado.La amplitud

de la tension de salida se puede controlar por medio de formas

de ondas moduladoras.

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Control PWM.

1. Señal de referencia la cual es una onda senoidal.

2. Señal portadora, la cual es una onda triangular que controla la

frecuencia de conmutación.

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Los inversores de conexión a red son de fuente de corriente

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1. Rango de la tensión de entrada: es el rango de los valores de la tensión continua de entrada aceptables para la operación nominal del inversor.

2. Tensión nominal de salida. 3. Potencia de salida máxima y nominal: es el valor máximo y el

nominal de la potencia alterna de salida que puede ser suministrada por el inversor.

4. Eficiencia (rendimiento del inversor): Es la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada del inversor.

5. Capacidad para resistir potencia punta: En situaciones como los arranques de motores, la potencia en los primeros instantes puede ser muy elevada (varias veces la nominal). El inversor debe poder aguantar estos picos.

6. Rango de temperaturas de trabajo: Suelen estar entre -5 y 40°C.

7. Seguridad

PARAMETROS CARACTERISTICOS

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Eficiencia. Depende de la potencia, tensión y temperatura de

operación. Las perdidas de autoconsumo debe ser menor al 5%

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Distorsión armónica. Da idea de que tan cercana se encuentra a ser una onda

senoidal pura.

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13. ESTRUCTURA

Servir de soporte y fijación segura de los módulos, facilitando el montaje de los mismos y la formación de los paneles, y dotar a los módulos de la inclinación y orientación adecuada.

Sombra

Facilita las labores de instalación y mantenimiento, minimiza la longitud del cableado, evita problemas de corrosión y hace agradable la vista del generador.

Materiales. Acero galvanizado, acero y el aluminio.

Tornilleria en acero inoxidable.

La estructuras se pueden clasificar por su disposición, sobre suelo o sobre mástil.

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SEGUIMIENTO SOLAR

Aumenta la producción y rentabilidad del sistema. Inversión inicial Vida útil Movimiento sobre uno o dos ejes. Existen 5 tipos de seguimiento. En dos ejes, un eje norte

sur, un eje norte sur inclinado, un eje este oeste horizontal y un eje acimutal.

El seguimiento en dos ejes permite la libertad total del movimiento, por lo tanto el generador se encuentra se mantiene perpendicular a los rayos del sol.

Se reducen las perdidas por polvo y suciedad.

Bibliografía

• Plan de Desarrollo para las Fuentes No Convencionales de Energía (PDFNCE). UPME, 2010.

• Energías Renovables, Jaime González Velasco.

• Cuaderno de aplicaciones técnicas No. 10. ABB.

• Observatory of Renewable Energy in Latin America and The Caribbean. Final Report.

• REN 21. Global Status Report. http://www.ren21.net/

• http://cocme.org/