Clase #5

Clase #6Curso: Fuentes Renovables de Energa.

Tema I Energa Solar.Conversin Fotovoltaica. Celdas Solares. Evaluacin de la Energa necesaria. Evaluacin de la Radiacin Solar disponible. Seleccin del nmero de mdulos o paneles. Capacidad de Bateras. Inversores y Conversores. Localizacin, fallos Clculo del Costo del Ciclo de Vida til.Efecto Fotovoltaico.

Cuando una radiacin electromagntica de energa suficiente incide sobre determinados materiales, parte de la energa es absorbida, generndose en el interior del material pares de cargas positivas y negativas.

Cuando la radiacin elctrica es la solar y el material es un semiconductor ( (Silicio) , los pares de carga son electrones (-) y huecos (h+) que se mueven aleatoriamente en el volumen del slido y en ausencia de condicionamiento interno ni externo, las cargas de signos o puestos se recombinan y neutralizan mutuamente.

Quiere decir entonces que para evitar este efecto se necesita crear un campo

Elctrico interno que mantenga las mismas separadas, lo cual conduce al establecimiento de una diferencia del potencial en dos zonas del material que si son conectadas entre s mediante un circuito externo, darn origen a una corriente elctrica que recorrer dicho circuito.

Este fenmeno descrito se llama efecto fotovoltaico ver Fig 1 Celdas Solares o Fotovoltaicas.

Para crear el campo elctrico interno local se crea siempre una zona tipo n y otra tipo P, en el semiconductor , la misma se logra por la difusin de impurezas a altas temperaturas en un homo de difusin, siendo ste el procedimiento mas convencional.

Por ejemplo una celda solar de Silicio monocristalino, se parte de una oblea de si =300-400 Mm 100 mm una vez que se crea el campo elctrico por la difusin de la impureza correspondiente ( Fsforo o Boro ) Fig 2. y se colocan adecuadamente los contactos elctricos en su superficie frontal y posterior, la celda est en posibilidades de producir electricidad.

Para aumentar la N de los fotones el campo elctrico debe ser superficial sobre la cara que se enfrenta al sol.

Los contactos se hacen en ambas caras de la celda y con geometra y caractersticas especiales.

La parte que no recibe la radiacin se recibe total o parcialmente con uno o varios depsitos de metal ( malla gruesa) y la cara frontal est recubierta por un electrodo metlico formado por una o varias capas en forma de red compleja de dos muy finas, pues debe recoger los portadores de carga generados en el interior sin impedir que los rayos solares alcancen el material semiconductor.

Proyector Fig No3 Celdas Solares.

Por ltimo para la N de la celda en la captacin de fotones de luz , se coloca una capa antirreflectante ( generalmente Oxidote Titanio II)u se textura la superficie por proceso qumico.

Ver Figura 4 Celda Solar Pag 6 Algn medio Visual.

Resumiendo una celda solar debe reunir 3 caractersticas fundamentales.

1- Ser capaz de absorber una fraccin importante de la radiacin solar que recibe.

2- Tener un campo elctrico interno.

3- Las cargas deben ser capaces de viajar a travs de la oblea de silicio hasta los electrodos superficiales.

Durante algn tiempo se han ensayado y desarrollado una gran variedad de nuevos tipos y modelos y conceptos de celdas solares, pero las de silicio han sido las de mayor uso prctico.

Ver caractersticas estructurales Tabla I Pag 7 Celdas Solares

Si monocristalino .

Tambin se utilizan el Si policristalino y el costo amorfo.

Poner Grfico.

Estudiemos algunas caractersticas elctrica de una celda de Silicio mediante la caracterstica tensin- corriente (V-I)

Potencial de circuito Abierto: es la tensin positiva para la cual se obtiene corriente nula ,para una celda iluminada, el contacto Pse ha hecho positivo y negativo existiendo entre ambos una diferencia de potencial (Vca)

Corriente de Corto Circuito: (Icc) Es el valor de I cuando la tensin de polarizacin externa es cero osea debida unicamente a la iluminacin.

Pueden Ver Fig 6 (b) Pag 9 Celdas Solares ( Cuadrante IV ) Caractersticas de la Celda Solar

Tabla 2

Punto de Potencia Mxima.

Ver tabla 2 Caractersticas de Funcionamiento de Celdas de Si monocristalino por tanto el Rendimiento de una celda Solar en operacin es la relacin de la energa electrica producida a la interceptada por la superficie.

N=Pm+ Ipam-Vpm|(hR) A

HR- mw|cm2

A-cm2

Pm-mw

Ipm-mA

VPM-mV

Icc-mA

Vca-Mv

FF Factor de forma

N=Icc. VcA.FF\(HR) A

En el rendimiento de la celda influyen factores internos ( Caractersticas del material base, espesor superficie activa, etc y otros externos (Temp, composicin espectral de radiacin )

Para las celdas de Si el Incremento de temperatura por encima de Tamb el N decrece por tanto a temperatura de 40 a45 oC es necesario refrigerar los mismos.

La temperatura depende de (HR) que tambin afecta los parmetros de la celda.

Ejemplo: Icc HR Sin embargo Vca apenas vara con ella.

Se plantea que el N max tecnica de una celda de Si convencional 22-23 % sin embargo en la practica se han obtenido valores de hasta el 18 %.

Definamos el concepto de Potencia Pico: es la potencia electrica que proporciona la celda cuando recibe insolacin mxima=1 Kw\m2 es decir al medioda solar de un da despejado Se expresa con Kwp o Wp y se aplica tambin a mdulos y paneles.

Mdulo: Es la unin en capsulaza de una cantidad de celdas fotovoltaica.

Panel: es la designacin de un nmero de modulos fotovoltaicos reunidos en un solo bastidor.

Conjunto Fotovoltaico : Dos o ms mdulos conectados para obtener la tensin y corriente deseada ( cadena)

Una vez estudiado los principios bsicos de la conversin fotovoltaica de las caractersticas esenciales de las celdas solares , estudiemos como proceder para efectuar el dimensionado de instalaciones fotovoltaicas.

Esto consiste en determinar al nmero de paneles o mdulos solares necesarios y la capacidad del Banco de Bateras a instalar que garantice el funcionamiento , siendo el principal factor que influye en la fiabilidad y el costo del sistema.

Para ello se debe:

1- Evaluar la energa necesaria o carga del Sistema.

2- Evaluar la radiacin Solar disponible y el incremento inclinacin.

3- Calcular la capacidad de la batera del Sistema

4- Calcular capacidad del conjunto FOTOv

1) Calculo de la Carga: Es uno de los factores esenciales del diseo y el costo del sistema fotovoltaico independientemente para ello se debe listar los artefactos conectados al sistema, su demanda de energa, el nmero de horas de uso diario y la tensin de cada uno.

2) Puede diferenciar cargas de CA y de CC.

Calcule la demanda total de potencia para cada grupo

La tensin del Sistema Fotovoltaico se determinarn basado en ello.

Despus de seleccionar la tensin del sistema calcule el total amp-hora diarias que debe suministrar el sistema con esta tensin.

Recomendaciones:

No exagere ene. T de uso.

Las demandas mayores trate de usar otra fuente de energa (cocinas, secadoras, Hornos, Microondas, etc)

Cambiar lmparas.

Los dde cc son ms caros pero mas eficientes y duraderos, adems si usa CA debe instalarse un inversor que aumenta la complejidad del sistema y produce prdidas de potencia.

Para seleccionar la tensin del sistema

Si predominan cargas de C.A debe elegirse una tensin de cc compatible con la entrada del inversor.

Si las demandas de potencia ms elevadas son para aparatos de cc debe elegir el valor de tensin de carga mayor.

Para ello se debe:

Hacer una lista de cargas de C. A y sumarlos

Hacer una lista de cargas de cc y agrpelas por nivel de tensin , calcule las sumas .

Generalmente son para 12 v o un mltiplo 24, 36, 48 v

Calcule la potencia total necesaria y la demanda mxima de potencia instatantnea para cada nivel de tensin.

Ver Hoja 1

Al seleccionar el inversor la tensin de cc de entrada debe tratarse que sea igual a la tensin de las cargas de C.C. ms elevadas del sistema

Sin tener en cuenta el factor de potencia y las prdidas en el inversor estaos efectos se compensan:

Ejemplo:

Carga C. a-2400 W

V-120 V

I- 20 A

Excluyendo las prdidas en el inversor

Carga C. C-2400 W

Si se selecciona un inversor

que use una tensin de cc de 24v

Icc-100 A

Si el inversor es de 48 v

Icc-50 A

Recuerde que el costo de los conductores aumenta a medida que se incrementa

Algunas recomedaciones para seleccionar la tensin del sistema a partir de la demanda de energa de cA.

Seleccin de la tensin Sistema.

Demanda de CA Tensin de Entrada a

(watt) l Inversor

(volts. Cc)

1500 12

1500-5000 24 o 48

1500-5001 48 o 120

Proyectar Hoja de Claculo # 1 Residencia CA|CC y explicar Pag 254 Manual.

Ver otros ejemplos Pag 268

2) Bien el segundo paso es evaluar la radiacin solar disponible.

Ya en clases anteriores hemos hecho referencia a los mapas de insolacin, tablas y a mtodos empricos para determinar la Red Solar Total sobre Sup Horizontales, al no poder ser medida (pinarmetro)

Tambin como se realiza la correccin para distintos alfa de inclinacin y las recomendaciones en este sentido en las pocas de verano e invierno.

Asi tenemos -

Si se tiene una informacin como la del Manual de Proy Fotov por ejemplo C Mxico DF

Proyectar tabla A- 17 Manual Se tiene directamente toda la informacin necesaria.

Si se dispone de mapas como los estudiados es necesario para cada mes realizar la correccin R de acuerdo a alfa como realizamos en actividades anteriores.

Normalmente si la demanda de carga es constante durante el ao , el mes determinante para el anlisis serael de menor insolacin.

Si la carga es variable el anlisis debe incluir todos los meses o aquellos que sea utilizado el sistema.

El angulo de inclinacin se selecciona de acuerdo al valor de corriente mnima de las 3 mximas determinadas.

Si se utiliza un conjunto seguidor los datos de insolacin cambian y son los que se deben utilizar en el anlisis.

Veamos la hoja de Clculo #2 que resume este paso.

Proyectar #2 Pag 255 manual.

Recuerden que las horas del Sola mximo da es la cantidad de horas (equivalente a la energa recibida durante el da) en la que la irradiancia solar alcanza 1 Kw\m2 y que los datos de los mapas y las tablas se confeccionan en base a ello.

Asi se obtiene con Ah\da (hoja 1) y h\da , Sol mximo Ca corriente del Proyecto para 3 ngulos de inclinacin tomandoi siempre la mayor.

Finalmente se selecciona el menor de estos valores y la inclinacin rspectiva.

El tercer paso es determinar la capacidad de alamacenamiento o bateras del Sistema.

Debemos especificar algunos conceptos relacionados a lo anterior.

Profundidad de descarga . es el porcentaje de la capacidad nominal que se extrae de la batera.

Generalmente mientras mas gruesa sean las placas mayor ser la capacidad de la batera para soportar descargas hasta niveles bajos y las recargas subsiguientes.

Esta el ciclo poco profundo bateras mas livianas y menos costosas y no deben descargarse ms de un 25 %.

Batera de Ciclo Profundo: Se usan ms a menudo en sistemas Fotov tienen placas ms gruesas y pueden soportar descargas diarias hasta 80% de la capacidad.

Las de nquel admo pueden descargarse al 100% sin sufrir daos.

El nmero que se use como factor de profundidad mxima de descarga , serapara el peor caso de descarga que surtir la batera en su Temperatura de funcionamiento durante el mes determinante

De igual forma debe decidirse el nmero de das de almacenaje de energa el cual est relacionado con la disponibilidad del sistema.

Ejemplo : Un sistema fotovoltaico con 95 % de disponibilidad puede satisfacer los requisistos de carga el 85% del tiempo durante su vida til.

Como sabemos el Mantenimiento y los fallos reducen la disponibilidad de cualquier sistema de energa , en el caso de Sistema Fotov, la disponibilidad adquiere una incertidumbre adicional debido a las variaciones de la fuente de energa. Estos datos se pueden obtener de mediciones meteorolgicas tomadas por largo tiempo.

Los perodos fuera de servicio se deben a la falta de energa Solar.

En ejemplos de Proy Fotov Se definen dos niveles de disponibilidad.

No crtico 95 % Crtico 99 %

En la mayora se estima un 95% y si es necesario se aumenta la capacidad de almacenaje, despus de conocer el costo del producto.

Capacidad Nominal o especificada de la Batera: Es la mxima cantidad de energa que puede producir la batera.

Una capacidad nominal de 20 hw significa que la batera se descargar despus de soportar una descarga constante durante 20 horas, tambin se expresa en amp-hora.

Rgimen de descarga: Equivale a la mas alta intensidad de corriente que se espera extraer de la batera y se expresa como una relacin de la capacidad nominal .

Ejemplo: Si se extraen 20 de una batera con C=100 Amp- hora , el rgimen de descarga es C\5.

Por su parte el rendimiento disminuye con la temperatura o sea no se puede extraer la misma energa de una batera fra que de una caliente.

La mayora de los fabricantes suministran curvas de correccin de temperatura para sus productos:

Se debe realizar la correccin para la temperatura ms baja durante el ao , teniendo en cuenta el rgimen de descarga que se espera.

Profundidad de Descarga estacional. El diseo del sistema, se basa en el mes determinante o sea el de mnima energa solar disponible. Sin usar el factor de descarga estacional , la capacidad elegida del conjunto producir suficiente energa durante el mes determinante para satisfacer la carga y compensar las prdidas o sea mantener la batera cargada al 100 %.

Pero durante el resto del ao su produccin sera mayor que la demanda, lo cual representa un desperdicio de energa

Precisamente el Factor de descarga estacional compensa el desperdicio y reduce la demanda de corriente de conjunto Una pequea parte de la batera de descarga profunda se utiliza para compensar la deficiencia de energa durante el mes determinante.

La vida til de una batera depende de varios factores magnitud de carga y descarga , temperatura de operacin etc.

Una batera de plomo Acido rara vez dura ms de 10 aos en un Sist Fotovoltaico. Las de Nquel durn ms en condiciones similares.

Veamos entonces la hoja de clculo #3 sobre capacidad de la Batera del Sistema.

Proyectar Pag 256 Manual.

Puede verse como se parte de la carga corregida en omp-hora\da y se determina el # de bateras en serie para satisfacer la tensin y el # de batera en paralelo para satisfacer las Amp- hora a partir de la informacin de la batera adquirir o utiliza o sea su tensin nominal y su capacidad de rgimen.

4to) Clculo de la capacidad del Conjunto Fotov con los valores determinados en las hojas anteriores se puede determinar la magnitud de potencia Fotov , necesaria para satisfacer la demanda estimada de carga durante el mes de potencia mxima.

Se deben obtener especificaciones de mdulos de varias fbricas con el fin de comparar el rendimiento, la capacidad y el costo.

En el mtodo se usa corriente en (Amp) en lugar de potencia en ( watt) para describir el requisito de suministro de carga para artefactos elctricos, en el clculo se supone que el mdulo tiene suficiente tensin para entregar dicha magnitud de corriente en presencia de la temperatura ms elevada que es razonable esperar.

Es necesario conocer la corriente de rgimen del mdulo ( corriente generada a 1 KW\m2 de irradiancia solar a una temperatura especificada usualmente 25 OC.

En la figura siguiente Fig 9 pag33 Manual, se indican las especificaciones de un mdulo Fotov, pero no se incluye la corriente de rgimen del mdulo.

Icc= 3.5 Amp

Vcc = 19.9 v

Ipm= 3.2 A

Vpm= 17 v

Potencia 54 W

Para mdulo cristalinos la tensin disminuya aproximadamente 0.5 % por cada oC de incremento de temperatura

Ejemplo Vpm= 17 V a 25 oC

Si el mdulo alcanza 50 OC Vpm+ 14.9 v que todava resulta adecuada en Siste de 12 v nominal.

La tensin de la batera determina la tensin de funcionamiento del conjunto Fotov, generalmente es de 1 a 4 V ms baja que la tensin de los valores de potencia mxima especificados por el fabricante.

Por tanto la tensin de funcionamiento debe ser determinada al valor ms alto de la temperatura esperada, en sistema fotovoltaico independientemente comnmente se utilizan mdulos de 12 v.

Instalacin.

En pruebas realizadas se ha demostrado que dejando un espacio libre de 8 cms entre la parte superior y el techo , el mdulo funciona 15 OC menos de temperatura que si se instala directamente , lo que se traduce en un 75 % de aumento de la tensin y potencia.

Los mdulos en serie deben conducir una misma cont de corriente, por lo que si hay efectos de sombra sobre algunas celdas , no pueden producir y pasarn a polarizacin inversa o sea disiparn energa en forma de calor y fallarn despus de un tiempo.

Para ello se recomienda colocar didos de paso o derivacin alrededor de los mdulos en serie.

Los conjuntos pueden estar formadas por paneles y cadenas.

Panel. Mdulo colocado en un solo marco o bastidor.

Cadena. Coleccin de mdulos conectadas en serie para producir la tensin deseada.

Algunas fbricas

Ofrecen mdulos con

sta didos integrados

En la caja conexiones

Del mdulo.

Didos de Bloqueo: Controla el flujo de corriente e impide el flujo inverso de la batera al conjunto protegiendo las cadenas dbiles o defectuosas se pueden ver en la Figura 11 Pg 37 Manual Colocar en cada cadena o antes del controlador de desconexin manual.

En sistema con varios mdulos individuales conectadas en paralelo , rara vez se utilizan didos de bloqueo en cada cadena, pus la caida de tensin en cada dido es de 0.4-0.7 volts que representa casi un 6% de la cada de un sistema de 12 v.

La hoja de clculo #4 Pg 257.

Proyectar.

Parte de la descarga estacional de la Batera , se calcula la reduccin estacional de corriente y se corrige la corriente del proyecto , con ella y el factor de reduccin del mdulo se halla corriente reducida del proyecto y con la corriente del rgimen del mdulo , los mdulos en paralelo.

Con la tensin nominal del sistema seleccionada en el paso 1 y la tensin de rgimen del mdulo determinar el nmero de mdulos en serie.

Con ambos el # de mdulos Totales.

Inversores y Conversores:

Inv: Son unidades acondicionadoras de potencia, y se utilizan en Sistema Fotovoltaico independientes que deben alimentar cargas de C>A.

Conv: Son unidades de cc a cc para alimentar cargas que funcionan a diferentes tensiones .

Estos componente son el tercer elemento ms costoso del sistema , despus del conjunto y la batera y est sujeto al mayor 3 de fallas.

Algunas de sus caractersticas que deben ser considerados son:

Demanda Total de Potencia de C.A.

Forma onda de salida del inversor ( Cuadrada menos costoso, Semisoidal modificada o Simsoidal)

Corriente de rgimen mnimo.

Tensin de entrada y salida ( 12.24.48 o 120 V de cc salida -120 240 v a cA- 60 Hz)

Capacidad de soportar sobre tensiones transitorias y su proteccin.

Rgimen de Funcionamiento

Factor de Potencia.

Modularidad.

Veamos algunas:

Potencia de rgimen: Indica el # de watts que al inversor puede suministrar durante el funcionamiento normal. Se debe seleccionar uno que proporcione no menos del 12 % de la demanda mxima de carga.

Rgimen de Funcionamiento: Perodo de que el inversor puede alimentar la mxima carga de artefactos elctricos ( exceder el mismo puede causar fallos)

Razn para escoger uno con exceso de capacidad.

Ejemplo Carga 2.0 KW uno de 2.5 KW.

Proteccin de Tensin : El inversor puede ser daado si se exceden los niveles de tensin de entrada de CC.

Recuerde que una batera de 12 v puede alcanzar hasta 16 v y un inversor de 12 v puede daarse si se le aplica una tensin de 16 v de entrada . Por tanto deben estar provistos con circuitos de proteccin que desconecten el inversor de la batera.

Si la tensin de entrada en muy a m

Rend de Rgimen. Relacin entre la Potencia de entrada y salida del inversor.

Veamos la hoja de especificaciones que rene las caractersticas fundamentales.

Proyectar Hoja Pg 261 Manual.

Finalmente hagamos referencia a los controladores son dispositivos para proteger a las bateras contra sobre cargas y descargas excesivas, la mayora detecta la tensin de las bateras y actan de acuerdo a ello.

Los controladores causan ms problemas que cualquier otro componente , no son aparatos simples.

El mismo debe tener suficiente capacidad para controlar la mxima corrinte producida por el conjunto ( Multiplique Iccx1.25 para acomodar la corriente excesiva causadapor el aumento de irradiancia, esta y la tensin del sistema constituyen los parmetros mnimos para especificar un controlador.

Localizacin de Fallas.

A continuacin le damos una gua para la localizacin de fallas que pueden ser til para todo el que tenga un sistema Fotovoltaico en esencia revisar Batera, controlador y Mdulos.

Proyectar Fig22 pag 65 del manual.

Clculo del Costo del Ciclo de Vida til.

El anlisis CCVu constituye una ayuda til y sencilla para comparar costos y optimizar el diseo de Sistemas Fotovoltaicos , una limitacin que tiene es el hecho de que hay consideraciones a los cuales no se puede fijar un valor monetario .

Ejemplo : Se conoce el precio de un litro de diesel pero no se cuantifica el corto de la contaminacin ni el efecto de ruido.

Un anlisis econmico ms profundo debe ser influenciado por factores sociales, ambientales y polticos.

El CCVD se puede representar por:

LCC= Cva=Mva+Eva+Rva-Vva

Cva Costo del capital inicial para equipos , diseo e instalacin , este costo se calcula siempre como un solo pago en el 1er adel proyecto.

Mva Costo de mantenimiento Equivale a la suma de todos los costos anuales de mantenimiento programado y la operacin ( no incluye combustible o reemplazo) dentro de ellas Salario de un operador, inspecciones impuestas y mantenimiento propiamente.

Eva- Costo de Energa o sea combustible o energa en caso de sistemas hbridos uno Fotovoltaico independiente no tendr.

Rva Costo de Reemplazo Costos previstos de reparacin y reemplazo de equipos, durante su vida til, ocurren en aos especficas.

Vva Valor de la recuperacin Es su valor neto o de rescate en el ltimo ao del ciclo . es prctico asignar un valor de un 20% del costo original.

El Sub ndice V significa que los costos futuros se deben presentar en trminos de su valor actual.

Debido a que se suman cartas que ocurren en distintos aos , es necesario convertirlos a cantidades equivalentes en moneda de valor actual, usando una tasa o tipo de descuento , debido a las variaciones del valor del dinero con el tiempo.

Para el descuento de un corte que ocurra en un ao determinado( Ejemplo reemplazo de la batera) se utiliza el factor simple de Valor actual Tabla 4.

Para el descuento de corta que se repiten anualmente , se utilizan el factor uniforme de valor actual Tabla s

Para el valor actual simple (v)

F Sumade dinero futura

N Ao dado

D Tasa de Descuento

Para el valor actual uniforme (v)

A Suma Anual

N Nmero de aos

D Tasa de Descuento

I Tasa de interes.

Tabla 4 y 5 Pag 75 y 76 manual.

Tabla Pag 253.