Curso de energia solar fotovoltaica,

Curso de energa solar fotovoltaica, la electricidad que viene del sol

I- Introduccin II- Composicin fsica y fabricacin de los dispositivos fotovoltaicos III- Conceptos elctricosIV- Curvas caractersticas de las clulas fotovoltaicas V- Configuracin de sistemas de produccin fotovoltaicos VI- Dimensionamiento de sistemas de produccin fotovoltaicos y de bancos de bateras VII- Conexiones y dimensionamiento de conductores y cables VIII- Instalacin y mantenimiento

I- Introduccin

Un sistema de produccin electrosolar es una fuente de energa que, a travs de la utilizacin de clulas fotovoltaicas, convierte directamente la energa luminosa en electricidad.

Ventajas fundamentales:

No consume combustible

No produce polucin ni contaminacin ambiental

Es silencioso

Tiene una vida til superior a 20 aos

Es resistente a las condiciones climticas extremas (granizo, viento, temperatura y humedad)

No tiene piezas mviles y, por tanto, exige poco mantenimiento (slo la limpieza del panel)

Permite aumentar a potencia instalada por medio de la incorporacin de mdulos adicionales

Principales aplicaciones:

Generalmente es utilizado en zonas alejadas de la red de distribucin elctrica, pudiendo trabajar de forma independiente el combinada con sistemas de produccin elctrica convencional. Sus principales aplicaciones son:

Electrificacin de inmuebles rurales: luz, TV, radio, comunicaciones, bombas de agua

Electrificacin de cercas

Iluminacin exterior

Sealizacin

Proteccin catdica

Barcos, caravanas

Componentes del sistema:

Corriente continua 12V:

Paneles el mdulos de clulas fotovoltaicas

Soportes para los paneles

Regulador de carga de bateras y banco de bateras

Corriente alterna 110/220V:

Adems de los elementos anteriores, entre las bateras y el consumo ser necesario instalar un inversor de corriente con la potencia adecuada. El inversor convierte la corriente continua (DC) de las bateras en corriente alterna (AC). La mayora de los electrodomsticos utiliza corriente alterna.

ESQUEMA (Fig.1)

Este curso fue publicado originalmente por Panorama Energtico . Traducido (al portugus), adaptado y reproducido para AMERLIS con autorizacin de los autores.

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Actualizado en 05/Jun/01

II- Composicin fsica y fabricacin de los dispositivos fotovoltaicos

Efecto fotovoltaico:

Los mdulos estn compuestos de clulas solares de silicio. Estas son semiconductores de electricidad porque el silicio es un material con caractersticas intermedias entre un conductor y un aislante.

El silicio se presenta normalmente como arena. A travs de mtodos adecuados se obtiene el silicio en forma pura. El cristal de silicio puro no posee electrones libres y por tanto es un mal conductor elctrico. Para alterar esto se aaden porcentajes de otros elementos. Este proceso se denomina dopagem. Mediante el dopagem del silicio con el fsforo se obtiene un material con electrones libres o material con portadores de carga negativa (silicio tipo N). Realizando el mismo proceso, pero aadiendo Boro en vez de fsforo, se obtiene un material con caractersticas inversas, o sea, dficit de electrones o material con cargas positivas libres (silicio tipo P).

Cada clula solar se compone de una capa fina de material tipo N y otra con mayor espesor de material tipo P (ver Figura 2).

Separadamente, ambas capas son elctricamente neutras. Pero si son unidas, exactamente la unin P-N, se genera un campo elctrico debido a los electrones del silicio tipo N que ocupan los huecos de la estructura del silicio tipo P.

Figura 2

Al incidir la luz sobre la clula fotovoltaica, los fotones que la integran chocan con los electrones de la estructura del silicio dndoles energa y transformndolos en conductores. Debido al campo elctrico generado en la unin P-N, los electrones son orientados y fluyen de la capa "P" a la capa "N".

Por medio de un conductor externo, se conecta la capa negativa a la positiva. Se genera as un flujo de electrones (corriente elctrica) en la conexin. Mientras la luz contine incidiendo en la clula, el flujo de electrones se mantendr.

La intensidad de la corriente generada variar proporcionalmente conforme a la intensidad de la luz incidente.

Cada mdulo fotovoltaico esta formado por una determinada cantidad de clulas conectadas en serie. Como se vio anteriormente, al unirse la capa negativa de una clula con la positiva de la siguiente, los electrones fluyen a travs de los conductores de una clula a la otra. Este flujo se repite hasta llegar a la ltima clula del mdulo, de la cual fluyen al acumulador o a la batera.

Cada electrn que abandona el mdulo es sustituido por otro que regresa del acumulador o de la batera. El cable de la interconexin entre mdulo y batera contiene el flujo, de modo que cuando un electrn abandona la ltima clula del mdulo y se dirige a la batera, otro electrn entra en la primera clula a partir de la batera. Es por eso que se considera inagotable un dispositivo fotovoltaico. Produce energa elctrica en respuesta a energa luminosa que entra en el mismo.

Se debe aclarar que una clula fotovoltaica no puede almacenar energa elctrica.

Tipos de clulas:

Existen tres tipos de clulas, conforme el mtodo de fabricacin.

Silicio monocristalino: Estas clulas se obtienen a partir de barras cilndricas de silicio monocristalino producidas en hornos especiales. Las clulas son obtenidas por corte de las barras en forma de pastillas cuadradas finas (0,4-0,5 mm de espesor). Su eficiencia en la conversin de luz solar en electricidad es superior a 12%.

Silicio policristinalino: Estas clulas son producidas a partir de bloques de silicio obtenidos por fusin de bocados de silicio puro en moldes especiales. Una vez en los moldes, el silicio se enfra lentamente y se solidifica. En este proceso, los tomos no se organizan en un nico cristal. Se forma una estructura policristalina con superficies de separacin entre los cristales. Su eficiencia en la conversin de luz solar en electricidad es ligeramente menor que en las de silicio monocristalino.

Silicio amorfo: Estas clulas son obtenidas por medio de la deposicin de camadas muy finas de silicio sobre superficies de vidrio o metal. Su eficiencia en la conversin de luz solar en electricidad vara entre 5% y 7%.

Fabricacin de los mdulos fotovoltaicos:

El mdulo fotovoltaico est compuesto por clulas individuales conectadas en serie. Este tipo de conexin permite adicionar tensiones. La tensin nominal del mdulo ser igual al producto del nmero de clulas que lo componen por la tensin de cada clula (aprox. 0,5 voltios). Generalmente se fabrican mdulos formados por 30, 32, 33 y 36 clulas en serie, conforme a la aplicacin requerida.

Se demanda dar al mdulo rigidez en su estructura, aislamiento elctrico y resistencia a los factores climticos. Por eso, las clulas conectadas en serie son encapsuladas en un plstico elstico (Etilvinilacelato) que hace tambin el papel de aislante elctrico, un vidrio templado con bajo contenido de hierro, en la cara orientada al sol y una lamina plstica multicapa (Polister) en la cara posterior. En algunos casos el vidrio es substituido por una lamina de material plstico transparente.

El mdulo tiene una moldura compuesta de aluminio o poliuretano y cajas de conexiones las cuales albergan los terminales positivo y negativo de la serie de clulas. En los bornes de las cajas se conectan los cables que unen el mdulo al sistema.

Etapas del proceso de fabricacin del mdulo:

Ensayo elctrico y clasificacin de las clulas

Interconexin elctrica de las clulas

Montaje del conjunto. Colocacin de las clulas soldadas entre capas de plstico envolvente y lminas de vidrio y plstico

Laminado del mdulo. El conjunto es procesado en una mquina semi-automtica de alto vaco que, por un proceso de calentamiento y presin mecnica, conforma el laminado.

Curagem. El laminado se procesa en un horno con temperatura controlada en el cual se completa la polimerizacin del plstico envolvente y se alcanza la adhesin perfecta de los diferentes componentes. El conjunto, despus de la curagem, constituye una nica placa.

Molduracin. Se coloca primeramente un selante elstico en todo el permetro del laminado y a continuacin los perfiles de aluminio que forman la moldura. Se usan mquinas neumticas para conseguir la presin adecuada. Las molduras de poliuretano son colocadas por medio de mquinas de inyeccin.

Colocacin de terminales, bornes, diodos y cajas de conexiones.

Ensayo final.

Ensayo de los mdulos Sobre los mdulos se debe medir y observar:

Caractersticas elctricas operacionales

Aislamiento elctrico (a 3000 Voltios de C.C.)

Aspectos fsicos, defectos de acabado, etc.

Resistencia al impacto.

Resistencia a la traccin de las conexiones.

Resistencia a la niebla salina y a la humedad ambiente.

Comportamiento a temperaturas elevadas por perodos prolongados (100 grados Celsius durante 20 das).

Estabilidad a los cambios trmicos (de -40 C a +90 C) en ciclos sucesivos.

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Montado en 06/Abr/01

III- Conceptos elctricos

Tensin y corriente:

La electricidad es el flujo de partculas cargadas (electrones) que circulan a travs de materiales conductores (como cables o barras de cobre). Estas partculas adquieren energa en una fuente (generador, mdulo fotovoltaico, batera de acumuladores, etc) y transfieren esta energa a una carga (lmpara, motor, equipamiento de comunicaciones, etc.) y a continuacin vuelven a la fuente para repetir el ciclo.

Se puede imaginar un circuito bsico como una batera de acumuladores conectada a una lmpara, como el indicado en la figura 3:

La batera de acumuladores es una fuente de electricidad, o una fuerza electromotriz (FEM). La magnitud de esta FEM es lo que llamamos tensin y se mide en Voltios.

Estos conceptos pueden ser mejor comprendidos si se hace la analoga con un sistema de bombeo de agua. As, sustituirse el flujo de electrones por agua, la fuente de tensin por una bomba de agua y el cable por una tubera.

Entonces se tendra:

MODELO ELCTRICO MODELO HIDRULICO

Corriente elctrica es el flujo de electrones a travs de un cable

Se mide en Amperios. Caudal de agua es el flujo de agua a travs de una tubera. Se mide en litros/seg.

La fuente de energa elctrica entrega tensin a los electrones, o sea, capacidad de realizar trabajo.La tensin se mide en Voltios. La bomba de agua entrega presin a la misma. La presin se mide en kg/cm2 (o en mm de columna de agua).

Los electrones pierden su energa al pasar por una carga. Aqu es donde se realiza el trabajo. El agua pierde su presin al pasar por una turbina. Aqu es donde se realiza el trabajo.

Montaje en serie

Si los elementos de un circuito se conectan en serie, eso quiere decir que todo el flujo (de electrones o de agua) debe pasar por cada uno de sus elementos.

Ejemplo: en el caso del bombeo de agua, si se quiere elevarla a una altura de 20 m para luego a continuacin hacerla pasar por una pequea turbina deberamos conectar la bomba y la turbina en serie, como muestra la fig. 5. Todo el caudal que pasa por la bomba tambin pasar por la turbina y por las tuberas.

Figura 5

Por tanto, el flujo es constante en cualquier punto del circuito. Si se quiere elevar el mismo caudal al doble de la altura (40 m) deberan conectarse dos de las bombas mencionadas en serie.

Esto equivale a decir que en un montaje en serie las presiones se suman.

Recordando la analoga elctrica, el equivalente de presin es tensin. Por tanto si se dispone de dos mdulos fotovoltaicos en que cada uno entregase 12 voltios, 2 Amperios y se pretendiese implementar un sistema de 24 voltios y 2 Amperios se debera montar un circuito conforme a la fig. 6.

Figura 6

Conclusin : cuando se unen mdulos en serie, la tensin resultante es la suma de las tensiones de cada un de ellos y la corriente resultante coincide con la menor de las corrientes entregadas por los mdulos.

Montaje en paralelo

Si la necesidad fuese de elevar a 20 m de altura el doble del caudal mencionado anteriormente deberan conectarse dos bombas, conforme muestra la figura 7. Esta es un montaje en paralelo.

Fig.7

Cada bomba elevar un caudal semejante, pasando por la turbina la suma de ambos. No hay diferencia de presin entre el agua bombeada por la primera y por la segunda bomba y, por tanto, todo el agua caer de la misma altura contribuyendo con igual presin.

En el caso elctrico, si se necesita suministrar una carga de 12 voltios y 4 amperios, el circuito ser el de la fig.8.

Fig.8

Conclusin: cuando se unen mdulos en paralelo, la corriente resultante es la suma de las corrientes de cada uno de ellos y la tensin resultante coincide con la que es entregue por cada mdulo.

Potencia

Es el producto de la tensin por la intensidad de corriente: P=V x I

En que:

P es la potencia, medida en vatios (W)

V es la tensin aplicada, medida en Voltios (V)

I es la corriente que circula, medida en Amperios (A)

Si se analizan los casos vistos en el montaje en serie y en el montaje en paralelo, se comprueba que ambos operan con valores de potencia idnticos:

24 V x 2 A = 48 W (serie) 12 V x 4 A = 48 W (paralelo)

Una misma potencia elctrica podr estar en la forma de alta tensin y baja corriente o baja tensin y alta corriente. Cada aplicacin determinar la mejor eleccin.

Prdidas de potencia

Al circular agua por una tubera se producen prdidas de carga por friccin y turbulencia. O sea, la tubera ofrece una cierta resistencia al paso del flujo de agua. De la misma forma, los conductores elctricos ofrecen una cierta resistencia al paso de la corriente de electrones y esto se traduce en una prdida de potencia, lo que debe ser tenido en cuenta al disear un sistema. Estas prdidas de potencia se transforman en calor.

La resistencia de un conductor elctrico es una propiedad que depende de las caractersticas intrnsecas del material del conductor y de su geometra. Dicho en otras palabras, la resistencia de un conductor vara en relacin directa con su resistividad y su longitud y en relacin inversa con su seccin.

As, R = x ( l / s) en que:

R = resistencia, en Ohmios ();

= resistencia especfica o resistividad, en mm 2 x metro

Exemplo del Cobre: =0,017 mm 2 m

s = seccin del conductor, en mm 2 ;

l = longitud, en m

Se comprueba que: V = R x I en que:

"V" es la tensin del sistema, en Voltios "I" es la corriente que se transmite, en Amperios "R" es la resistencia del elemento conductor, en Ohmios

Esta expresin constituye la Ley de Ohm e indica que la tensin aplicada es proporcional a la resistencia y a la corriente que circula por el circuito.

As, la prdida de potencia ser proporcional a la resistencia del conductor y al cuadrado de la corriente que circula por el mismo. P = R x I 2 porque P = V x I y V = R x I

En los sistemas fotovoltaicos que trabajan a tensiones bajas, interesa saber que cada de tensin ocurrir cuando la corriente requerida recorra un conductor de longitud y seccin determinados.

En el captulo 7 se dan algunos valores de secciones de conductor adecuados para determinadas corrientes y distancias.

Cantidad de energa

Si se tiene que mantener encendida durante 2 horas una lmpara de 60 vatios, la energa consumida ser igual a:

E1 = 60 vatios x 2 h = 120 vatios hora

Si, adems, se quisiera alimentar con la misma fuente un televisor que consume 50 vatios y que funcione durante 3 horas, el consumo de energa del televisor ser:

E2 = 50 vatios x 3 h = 150 vatios hora

Si E1 y E2 fuera los nicos consumos de energa del da, la necesidad total de energa diaria ser:

E total = 270 vatios hora por da

Es importante la familiarizacin con este concepto de necesidad diaria de energa una vez que, como se ver ms adelante, ser utilizado en el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos.

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Pg. revista en 03/Mai/01

IV- Curvas caractersticas de las clulas fotovoltaicas

Curva de corriente x tensin (curva I-V)

La representacin tpica de la caracterstica de salida de un dispositivo fotovoltaico (clula, mdulo, sistema) se denomina curva corriente tensin.

La corriente de salida se mantiene prcticamente constante dentro de la amplitud de tensin de funcionamiento y, por tanto, el dispositivo puede ser considerado una fuente de corriente constante en este mbito

La corriente y la tensin en que opera el dispositivo fotovoltaico son determinadas por la radiacin solar incidente, por la temperatura ambiente y por las caractersticas de la carga conectadas al mismo.

Fig. 9

Los valores trascendentes de esta curva son:

Corriente de cortocircuito (Icc): Mxima corriente que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiacin y temperatura correspondiendo a tensin nula y consecuentemente a potencia nula.

Tensin de circuito abierto (Vca): Mxima tensin que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiacin y temperatura correspondiendo a circulacin de corriente nula y consecuentemente a potencia nula.

Potencia Pico (Pmp): es el valor mximo de potencia que puede entregar el dispositivo. Corresponde al punto de la curva en el cual el producto V x I es mximo.

Corriente a mxima potencia (Imp): corriente que entrega el dispositivo a potencia mxima bajo condiciones determinadas de radiacin y temperatura. Es utilizada como corriente nominal del mismo.

Tensin a mxima potencia (Vmp): tensin que entrega el dispositivo a potencia mxima bajo condiciones determinadas de radiacin y temperatura. Es utilizada como tensin nominal del mismo.

Efecto de factores ambientales sobre la caracterstica de salida del dispositivo.

Efecto de la intensidad de radiacin solar

El resultado de un cambio en la intensidad de radiacin es una variacin en la corriente de salida para cualquier valor de tensin.

La corriente vara con la radiacin de forma directamente proporcional. La tensin se mantiene prcticamente constante.

Fig.10 Efecto de la temperatura

El principal efecto provocado por el aumento de la temperatura del mdulo es una reduccin de la tensin de forma directamente proporcional. Existe un efecto secundario dado por un pequeo incremento de la corriente para valores bajos de tensin. Todo esto est indicado en la Fig. 11

Es por eso que para lugares con temperatura ambiente muy elevada son adecuados mdulos que posean mayor cantidad de clulas en serie a fin de que las mismas tengan suficiente tensin de salida para cargar bateras.

Fig.11

Combinaciones de clulas y curvas resultantes

La tensin en el punto de mxima potencia de salida para una clula es de aproximadamente 0,5 Voltios a pleno sol.

La corriente que entrega una clula es proporcional a la superficie de la misma y a la intensidad de la luz. Es por eso que para conseguir mdulos con corrientes de salida menores se utilizan en su fabricacin tercios, cuartos, mitades, etc de clulas.

Un mdulo fotovoltaico es un conjunto de clulas conectadas en serie (se suman sus tensiones) que forman una unidad con suficiente tensin para poder cargar una batera de 12 voltios de tensin nominal (esta batera necesita entre 14 y 15 Voltios para poder cargarse completamente). Para conseguir esta tensin se necesitan entre 30 y 36 clulas de silicio Monocristalino conectadas en serie.

Interaccin del dispositivo fotovoltaico con la carga

La curva I-V corregida para las condiciones ambientales reinantes, es slo una parte de la informacin necesaria para saber cual ser la caracterstica de salida de un mdulo. Otra informacin imprescindible es la caracterstica operativa de la carga a conectar. Es la carga que determina el punto de funcionamiento en la curva I-V

Potencia mxima de salida durante el da

La caracterstica I-V del mdulo vara con las condiciones ambientales (radiacin, temperatura). Esto quiere decir que habr una familia de curvas I-V que nos mostrar las caractersticas de salida del mdulo durante el da en una poca del ao.

Fig. 12

La curva de potencia mxima de un mdulo en funcin de la hora del da tiene la forma indicada en este diagrama de carga:

Fig. 13

La cantidad de energa que el mdulo es capaz de entregar durante el da es representada por la rea comprendida bajo a curva de la Fig.13 y se mide en vatios hora/da. Se observa que en l es posible hablar de un valor constante de energa entregada por el mdulo en vatios hora una vez que vara conforme a hora del da. Ser necesario entonces trabajar con los valores de la cantidad de energa diaria entregada. (vatios hora/da).

Interaccin con una carga resistiva

Un ejemplo ms simple, si se conectan los bornes de un mdulo a los de una lmpara incandescente (que se comporta como una resistencia elctrica) el punto de operacin del mdulo ser el de la interseccin de su curva caracterstica con una recta que representa grficamente la expresin I= V / R, siendo R la resistencia de la carga a conectar.

Fig.14

Interaccin con una batera

Una batera tiene una tensin que depende de estado de carga, antigedad, temperatura, rgimen de carga y descarga, etc. Esta tensin es impuesta a todos los elementos que estn unidos a ella, incluyendo el mdulo fotovoltaico.

Fig. 15

Es incorrecto pensar que un mdulo con una tensin mxima de salida de 20 voltios elevar una batera de 12 voltios a 20 voltios y la daar. Es la batera la que determina el punto de funcionamiento del mdulo.

La batera vara su amplitud de tensin entre 12 y 14 voltios.

Dado que la salida del mdulo fotovoltaico es influenciada por las variaciones de radiacin y de temperatura a lo largo del da, esto se traducir en una corriente variable entrando en la batera.

Fig. 16

Interaccin con un motor de corriente continua

Un motor de corriente continua tiene tambin una curva I-V. La interseccin de la misma con la curva I-V del mdulo determina el punto de funcionamiento.

Fig. 17

Cuando se une un motor directamente al sistema fotovoltaico, sin batera ni controles intermediarios, disminuyen los componentes involucrados y por tanto aumenta la fiabilidad.

Pero, como muestra la Fig. 18, no se aprovechar la energa generada en las primeras horas de la maana y al atardecer.

Fig. 18

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V- Configuracin de sistemas de produccin

Directamente unidos a una carga

Es el sistema ms simple de todos. El generador fotovoltaico se une directamente a la carga, generalmente un motor de corriente continua. Se utiliza sobre todo en la bombas de agua. Por no existir bateras de acumuladores ni componentes electrnicos mejora la fiabilidad del sistema, pero resulta difcil mantener un desempeo eficiente a lo largo del da.

Sistema mdulo-batera de acumuladores

Se puede utilizar un mdulo fotovoltaico para reponer simplemente la autodescarga de una batera que se utilice para el arranque de un motor, por ejemplo. Para eso se pueden utilizar los mdulos de silicio amorfo o Monocristalino.

Otra importante aplicacin en que el sistema fotovoltaico se une de forma directa a la batera es en sistemas de electrificacin rural de baja potencia. En estos casos se utilizan uno o dos mdulos de silicio Monocristalino de 30 clulas, cada uno unido en paralelo para alcanzar la potencia deseada.

Sistema fotovoltaico, batera y regulador

Es la configuracin utilizada con mdulos de 33 o 36 clulas en la cual se une el generador fotovoltaico a una batera a travs de un regulador para que sta no se sobrecargue. Las bateras de acumuladores alimentan cargas en corriente continua.

Batera, inversor

Cuando se necesitar energa en corriente alterna se puede incluir un inversor. La potencia generada en el sistema fotovoltaico podr ser transformada integralmente en corriente alternad o se podrn alimentar simultneamente cargas de corriente continua (C.C.) y de corriente alterna (C.A.)

Reguladores de carga de bateras

Existen diversos tipos de reguladores de carga:

La concepcin ms simple es aquella que consta de una sola etapa de control. El regulador monitoriza constantemente la tensin de la batera de acumuladores. Cuando la tensin referida alcanza un valor para el cual se considera que la batera se encuentra cargada (aproximadamente 14.1 voltios para una batera de plomo cido de 12 voltios nominales) el regulador interrumpe el proceso de carga. Esto puede ser conseguido abriendo el circuito entre los mdulos fotovoltaicos y la batera (control tipo serie) o cortocircuitando los mdulos fotovoltaicos (control tipo shunt). Cuando el consumo hace que la batera comience a descargarse y por tanto a bajar su tensin, el regulador reconecta el generador a la batera y recomienza el ciclo.

En el caso de reguladores de carga cuya etapa de control opera en dos pasos, la tensin de carga a tope de la batera puede ser algo superior a 14,1 voltios.

El regulador es definido al especificar su nivel de tensin (que coincidir con el valor de tensin del sistema) y la corriente mxima que deber manejar.

Para ilustrar con un ejemplo simple, supngase que se tiene que alimentar una habitacin rural con consumo en 12 Vcc. y para eso se utilizan dos mdulos fotovoltaicos.La corriente mxima de estos mdulos es Imp = 2,75 A y la corriente de cortocircuito Icc = 3 A. Cuando los mdulos estn en paralelo la corriente total mxima que deber controlar el regulador ser I total = 2 x 3 A =6 A. Se considera la corriente de cortocircuito para contemplar la peor situacin. El regulador a escoger, por tanto, deber estar concebido para trabajar a una tensin de 15 voltios (tensin de trabajo de los mdulos) y manejar una corriente de 6 A.

Bateras de acumuladores

La funcin prioritaria de las bateras en un sistema de generacin fotovoltaico es acumular la energa que se produce durante las horas de luminosidad a fin de poder ser utilizada a la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.

Otra importante funcin de las bateras es proveer una intensidad de corriente superior a aquella que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Es el caso de un motor, que en el momento del arranque puede exigir una corriente de 4 a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.

Interaccin entre mdulos fotovoltaicos y bateras

Normalmente el banco de bateras de acumuladores y los mdulos fotovoltaicos trabajan en conjunto para alimentar las cargas.

La figura siguiente muestra como se distribuye la entrega de energa a la carga a lo largo del da. Durante la noche toda la energa pedida por la carga es suministrada por el banco de bateras. En horas matutinas los mdulos comienzan a generar, pero si la corriente que suministran es menor que la que la carga exige, la batera deber contribuir. A partir de una determinada hora de la maana la energa generada por los mdulos fotovoltaicos supera la energa media demandada. Los mdulos no solo atendern la demanda, sino que adems el exceso ser almacenado en la batera que comenzar a cargarse y a recuperarse de la descarga de la noche anterior. Finalmente durante la tarde, la corriente generada disminuye y cualquier diferencia en relacin a la demanda ser entregada por la batera. Durante la noche, la produccin es nula y todo el consumo viene de la(s) batera(s) de acumuladores.

Tipos de bateras de Acumuladores

Bateras de plomo-cido de electrlito lquido

Las bateras de plomo-cido se utilizan ampliamente en los sistemas de generacin fotovoltaicos. Dentro de la categora plomo-cido, las de plomo-antimonio, plomo-selenio y plomo-calcio son las ms comunes.

La unidad de construccin bsica de una batera es la clula de 2 voltios. Dentro de la clula, la tensin real de la batera depende del su estado de carga, si est a cargar, a descargar o en circuito abierto. En general, la tensin de una clula vara entre 1,75 voltios y 2,5 voltios, siendo la media cerca de 2 voltios, tensin que se acostumbra llamar nominal de la clula.

Cuando las clulas de 2 voltios se unen en serie (POSITIVO A NEGATIVO) las tensiones de las clulas se suman, obtenindose de esta manera bateras de 4, 6,12 voltios, etc. Si las bateras estuvieran unidas en paralelo (POSITIVO A POSITIVO Y NEGATIVO A NEGATIVO) las tensiones no se alteran, pero se suman sus capacidades de corriente. Slo se deben unir en paralelo bateras de igual tensin y capacidad.

Se puede hacer una clasificacin de las bateras en base a su capacidad de almacenamiento de energa (medida en Ah a la tensin nominal) y a su ciclo de vida (nmero de veces que la batera puede ser descargada y cargada a tope antes de que se agote su vida til). La capacidad de almacenamiento de energa de una batera depende de la velocidad de descarga. La capacidad nominal que la caracteriza corresponde a un tiempo de descarga de 10 horas. Cuanto mayor sea el tiempo de descarga, mayor ser la cantidad de energa que la batera proporciona. Un tiempo de descarga tpico en sistemas fotovoltaicos es 100 hs. Por ejemplo, una batera que posea una capacidad de 80 Ah en 10 hs (capacidad nominal) tendr 100 Ah de capacidad en 100 hs.

Dentro de las bateras de plomo-cido, las denominadas estacionarias de bajo contenido de antimonio son una buena opcin en sistemas fotovoltaicos. Poseen unos 2500 ciclos de vida cuando la profundidad de descarga es del 20 % (o sea, que la batera estar con 80 % de la su carga) y unos 1200 ciclos cuando la profundidad de descarga es de 50 % (batera con 50 % de su carga). Las bateras estacionarias poseen, adems, una baja auto-descarga (3 % mensual aproximadamente contra un 20 % de una batera de plomo-cido convencional) y un mantenimiento reducido. Dentro de estas caractersticas tambin se encuadran las bateras de plomo-calcio y plomo-selenio, que poseen una baja resistencia interna, valores despreciables de gasificacin y una baja autodescarga.

Bateras selladas

-Gelificadas Estas bateras incorporan un electrlito de tipo gel, con consistencia que puede variar desde un estado muy denso al de consistencia similar a una gelatina. No se derraman, se pueden montar en casi todas las posiciones y no admiten descargas profundas.

-Electrlito absorbido

El electrlito se encuentra absorbido en una fibra de vidrio microporoso o en un trenzado de fibra polimrica. Tal como las anteriores no derraman, se montan en cualquier posicin y admiten descargas moderadas.

Tanto estas bateras como las Gelificadas no exigen mantenimiento con aporte de agua y no desprenden gases, evitando el riesgo de explosin, pero ambas requieren descargas poco profundas durante su vida til.

Nquel-Cadmio Las principales caractersticas son :

1. El electrolito es alcalino.

2. Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad nominal.

3. Bajo coeficiente de autodescarga.

4. Alto rendimiento bajo variaciones extremas de temperatura.

5. La tensin nominal por elemento es de 1,2 voltios.

6. Alto rendimiento de absorcin de carga (superior a 80%).

7. Precio muy elevado en comparacin con las bateras cidas.

Tal como las bateras de plomo-cido, estas se pueden obtener en las dos versiones: standard y selladas. Se utiliza la ms conveniente conforme a las necesidades de mantenimiento admisible para la aplicacin prevista. Dado su alto precio, no se justifica su utilizacin en aplicaciones rurales.

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VI- Dimensionamiento de sistemas de generacin fotovoltaicos y de bancos de bateras

Datos necesarios para dimensionar un sistema

Tensin nominal del sistema.

Se refiere a la tensin tpica en que operan las cargas a conectar. Adems, se debe distinguir si la referida tensin es alterna o continua.

Potencia exigida por la carga

La potencia que cada carga exige es un dato esencial. Los equipamientos de comunicaciones requieren potencias importantes cuando funcionan en transmisin y esto, muchas veces, ocurre slo durante algunos minutos por da. Durante el resto del tiempo requieren una pequea potencia de mantenimiento. Esta diferenciacin debe ser tenida en cuenta en la concepcin del sistema.

Horas de utilizacin de las cargas

Juntamente con la potencia requerida por la carga, se debern especificar las horas diarias de utilizacin de la referida potencia. Multiplicando potencia por horas de utilizacin, se obtendrn los vatios hora requeridos por la carga al final de un da.

Localizacin geogrfica del sistema (latitud, longitud y altura sobre el nivel del mar del sitio de la instalacin)

Estos datos son necesarios para determinar el ngulo de inclinacin adecuado para el mdulo fotovoltaico y el nivel de radiacin (medio mensual) del lugar.

Autonoma prevista

Esto se refiere al nmero de das en que se prev que disminuir o no habr generacin y que debern ser tenidos en cuenta en el dimensionamiento de las bateras de acumuladores. Para sistemas rurales domsticos se toman de 3 a 5 das y para sistemas de comunicaciones remotos de 7 a 10 das de autonoma.

Se muestra a continuacin una hoja de calculo para determinar los vatios/hora diarios (Wh/da) de todas las cargas de corriente continua y alternad que se pretendan alimentar.

a) Cargas en corriente continua

Aparato Horas de uso por da (A) Consumo del aparato en vatios (B) Total vatios hora/da (A x B)

Lmpara bajo consumo 7 W 1 8.5 8.5

2 lmparas bajo consumo 9 W 1 a 3 10 60

Lmpara bajo consumo 9 W 1 10 10

Equipamiento de transmisin radio aficionado

Transmisin 0.5 12 6

Escucha 3 3 9

Subtotal 1 93.5

b) Cargas en corriente alterna

Aparato Horas de uso por da (A) Consumo del aparato en vatios (B) Total vatios hora/da (A x B)

TV en color 14" 2 60 120

Incrementar 15% para tener en cuenta el rendimiento del inversor 18

Subtotal 2 138

Demanda total de energa en vatios-hora/da (1 + 2) 231.5

1) Identificar cada carga de corriente continua, su consumo en vatios y la cantidad de horas por da que debe funcionar. En el ejemplo se consideraran lmparas de bajo consumo de 7 y 9 W que, con sus balastros, consumen respectivamente 8,5 y 10 W. Tambin se considera un equipamiento de transmisin tipo banda de radio aficionado donde se identifica su consumo tanto en transmisin como en escucha.

2) Multiplicar la columna (A) por la (B) para obtener los vatios hora/da de consumo de cada aparato (columna [AxB]).

3) Sumar los vatios hora/da de cada aparato para obtener los vatios hora/da totales de las cargas en corriente continua (Subtotal 1).

4) Proceder de igual forma con las cargas en corriente alterna con el incremento del 15% de energa adicional para tener en cuenta el rendimiento del inversor (Subtotal 2). Para poder escoger el inversor adecuado, se deber tener claro cuales son los niveles de tensin que se manejarn tanto en termos de corriente alterna como de continua. Por ejemplo, si en una habitacin rural se instala un generador solar en 12 Vcc. y se desea alimentar un televisor en color que funciona en 220 Vca y que consume 60W, el inversor ser de 12 Vcc a 220 Vca y manejar un mnimo 60 W. Si existiesen otras cargas de corriente alterna, se debern sumar todas aquellas que se deseen alimentar de forma simultnea. El resultado de la referida suma, ms un margen de seguridad de aproximadamente un 10%, determinar la potencia del inversor.

5) obtener la demanda total de energa. Subtotal 1 + Subtotal 2.

Clculo del nmero de mdulos necesarios

Mtodo Simplificado

Se deben conocer los niveles de radiacin solar tpicos de la regin (ver mapa). Como ya se vio, la capacidad de produccin de los mdulos vara con la radiacin.

Para realizar un clculo aproximado de la cantidad de mdulos necesarios para una instalacin, se puede proceder de la siguiente forma:

1) Calcular con base en la hoja de dimensionamiento la demanda total de energa de la instalacin (Subtotal1 + Subtotal 2)

2) Determinar en que zona se realizar la instalacin.

3) Los valores de radiacin deben calcularse para que en el invierno abastezcan adecuadamente el consumo. Para eso debern disminuirse a los valores medios de radiacin al porcentaje que se indica en la tabla 1.

LA PARTE FRONTAL DE LOS MDULOS DEL GENERADOR DEBE ESTAR ORIENTADA AL SUR GEOGRFICO (POSICIN DEL SOL AL MEDIO DA).

EL PLANO DE LOS MDULOS DEBE INSTALARSE INCLINADO, FORMANDO UN NGULO DE 45 CON El PLANO HORIZONTAL.

Clculo del banco de bateras de acumuladores

La capacidad del banco de bateras se obtiene con la frmula:

Cap.= 1,66 x Dtot x Aut.

En donde:

1,66: factor de correccin de batera de acumuladores que tiene en cuenta la profundidad de descarga admitida, el envejecimiento y un factor de temperatura.

Dtot: Demanda total de energa de la instalacin en Ah/da. Esto se obtiene dividiendo los Wh/da totales que surgen de la hoja de dimensionamiento por la tensin del sistema.

Aut: das de autonoma conforme lo visto en el punto Autonoma prevista.

En el ejemplo adoptado ser:

Cap. Bat. =1,66 x ((231,5 Wh/da/12 voltios) x 5 das) = 160 Ah

Se tomar el valor normalizado inmediatamente superior al que resulte de este clculo y se armarn las combinaciones serie-paralelo adecuadas para cada caso.

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VII- Uniones y dimensionamiento de conductores y cables

Uniones

Para asegurar la operacin apropiada de las cargas se deber efectuar la seleccin adecuada de los conductores y cables de unin, tanto de aquellos que unen el generador solar a las bateras como de los que las conectan con las cargas.

En el caso de una habitacin rural, los esquemas de unin bsicos sera los siguientes:

A) Instalacin en 12 Vcc con un mdulo fotovoltaico de 33 clulas y regulador de 12 Vcc

B) Instalacin en 12 Vcc con mdulos fotovoltaicos de 33 clulas y regulador de 12 Vcc

Para alimentacin de equipamientos de comunicaciones pueden ser necesarias tensiones superiores a 12 Vcc. Las tensiones de trabajo tpicas son 24, 36 y 48 Vcc. Para realizar el dimensionamiento adecuado se debe consultar el Anexo A. Aqu sern indicadas apenas algunas uniones bsicas para las tensiones mencionadas.

a) Instalacin en 24 Vcc con cuatro mdulos fotovoltaicos de 24 Vcc

b) Instalacin en 36 Vcc con seis mdulos fotovoltaicos de 36 Vcc

c) Instalacin en 48 Vcc con ocho mdulos fotovoltaicos de 48 Vcc

Dimensionamiento de conductores y cables

Los cables cuyo recorrido est principalmente en zonas de intemperie debern ser adecuados a esa condicin. En estos casos se recomienda utilizar el cable FVV (designacin europea AO5VV-F).

El cable tipo H07RN-F (norma NP-2357) corresponde a la figura siguiente. Se trata de un cable flexible, inadecuado para la intemperie, a ser instalado en un tubo de PVC que le servir de proteccin mecnica. Su nivel de aislamiento es de 500 V.

Para instalar conductores en el interior de una habitacin o de un edificio se utiliza cable de cobre con aislamiento de PVC ininflamable conforme a norma NP-2356. Este cable, inadecuado para instalaciones al aire libre, debe ser montado dentro de tubos PVC con 16, 20 o 25 mm de dimetro. Su nivel de aislamiento es de 1000 V. El diseo siguiente muestra un corte del mismo.

A fin de asegurar el funcionamiento adecuado de las cargas (lmparas, televisin, equipamientos de transmisin, etc) no deber haber ms de un 5% de cada de tensin tanto entre los mdulos y las bateras como entre las bateras y los centros de cargas.

El proceso de seleccin del cable es ms simple si se utilizar la tabla siguiente, que indica la seccin de cable adecuada a utilizar para una cada de tensin del 5% en sistemas de 12 V.

En la columna a la izquierda se escoge la corriente pretendida. En esa misma lnea se indica la distancia que el referido trozo de cable recorrer y en la parte superior de la respectiva columna se lee la seccin de cable correspondiente.

Si la instalacin fuera de 24, 36 o 48 Vcc se proceder de la misma forma, pero en ese caso se deber dividir la seccin obtenida por 2, 3 o 4, respectivamente. Si el valor que resultar de esta divisin no coincide con un valor normalizado de seccin se deber adoptar la seccin inmediatamente superior.

Distancia mxima, en metros, para una cada de tensin del 5% en sistemas de 12 voltios

Seccin (mm) 35 25 16 10 6 4 2.5 1.5

Corriente (A)

1 540 389 246 156 93 62 39 22

2 270 194 123 78 46 31 19 11

3 180 130 82 52 31 20 13 7

4 135 97 62 39 23 15 10 5

5 108 78 49 31 18 12 8 4

6 90 65 41 26 15 10 6 3

7 77 55 35 22 13 9 5 2.8

8 67 49 31 19 12 8 4.5 2.5

9 60 43 27 17 10 7 4 2

10 54 39 25 16 9 6 3.5 1.8

12 45 32 20 13 8 5 3 1.5

15 36 26 16 10 6 4 2 1

18 30 22 14 9 5 3 1.8 0.8

21 26 18 12 7 4 3 1.6 0.7

24 22 16 10 6.5 3.5 2.5 1.5 0.5

27 20 14 9 5.5 3 2 1 -

30 18 13 8 5 2.5 1.5 0.8 -

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VIII- Instalacin y mantenimiento

Localizacin y orientacin de los mdulos

Para la buena instalacin es importante seleccionar la mejor localizacin posible para los mdulos fotovoltaicos. La localizacin debe reunir dos condiciones:

1 Estar lo ms prximo posible de las bateras (a fin de minimizar la seccin del cable).

2 Tener condiciones ptimas para la recepcin de la radiacin solar.

Los mdulos debern estar suficientemente alejados de cualquier objeto que proyecte sombra sobre ellos en el perodo de mejor radiacin (habitualmente de las 9 a las 17 horas) en el da ms corto del ao.

La figura 8.1 ayuda a calcular la distancia mnima (en metros) a que un objeto podr estar de los mdulos a fin de que no proyecte sombra sobre los mismos durante el invierno, tres horas antes y tres horas despus del medio da solar.

En base en la latitud del lugar de la instalacin se obtiene de la figura 8.1 el Factor de alejamiento (Fa). As, la distancia mnima a que podr estar localizado el objeto ser:

Distancia = Fa x (Ho - Hm)

en que: Fa = Factor de alejamiento obtenido de la Fig. 8.1 Ho = Altura del objeto Hm = Altura en relacin al nivel del suelo en que se encuentran instalados los mdulos.

Los mdulos debern estar orientados de modo que su parte frontal mire para el Sur geogrfico (o Norte, en el hemisferio Sur). Cuando el Sol alcanza el punto ms alto de su trayectoria (medio da) su posicin coincide con el Sur geogrfico.

Para conseguir un mejor aprovechamiento de la radiacin solar incidente, los mdulos debern estar inclinados en relacin al plano horizontal un ngulo que variar con la latitud de la instalacin. BP Solar recomienda la adopcin de los siguientes ngulos de inclinacin:

latitud ngulo de inclinacin

0 a 4 grados10 grados

5 a 20 gradoslatitud + 5 grados

21 a 45 grados latitud + 10 grados

46 a 65 grados latitud + 15 grados

66 a 75 grados 80 grados

Ejemplo: como Lisboa est en la latitud 39, el ngulo de inclinacin del panel podr ser de 49. Pequeas variaciones de ngulo no afectan significativamente el rendimiento de la instalacin.

En el hemisferio Norte las placas estarn orientadas hacia el sur geogrfico (que tiene una diferencia de 17 en relacin al Sur magntico). En el hemisferio Sur, las placas estarn orientadas hacia el Norte geogrfico.

Localizacin de los dems equipamientos

El regulador de carga de las bateras podr estar localizado en la propia estructura (caso de los generadores solares de apenas uno o dos mdulos) o en algn lugar prximo del banco de bateras (caso de los generadores con mayor cantidad de mdulos). Las bateras debern ser instaladas en un compartimento separado del resto de la habitacin y con ventilacin adecuada, pues de las bateras de plomo-cido emanan gases explosivos.

En las instalaciones rurales es aconsejable tener un cuadro de distribucin con una entrada para el banco de bateras y una o dos salidas (con las respectivas protecciones) en que se repartirn los consumos de las habitaciones. En el referido cuadro tambin podr haber un sistema indicador del estado de carga de las bateras. Para eso es conveniente colocar el cuadro en un lugar de la habitacin de acceso fcil a fin de mantener el control adecuado.

Mantenimiento de los mdulos fotovoltaicos

Una de las grandes ventajas de los sistemas de produccin fotovoltaicos es que no necesitan mantenimiento alguno. Es por eso que son los ideales en los sitios en que es preciso autonoma de funcionamiento.

La parte frontal de los mdulos est constituida por un vidrio templado con 3 a 3,5 mm de espesor, que los hace resistentes al granizo. Adems, admiten cualquier tipo de variacin climtica. Son auto-limpiantes debido a la propia inclinacin que el mdulo debe tener, de modo que a suciedad puede escurrir. De cualquier forma, en los lugares donde sea posible, ser conveniente limpiar la parte frontal de los mdulos con agua mezclada con detergente. Se debe verificar peridicamente que el ngulo de inclinacin corresponde al especificado. Se debe confirmar que no haya proyeccin de sombras de objetos prximos en ningn sector de los mdulos entre las 9 y las 17 horas, por el menos. Se debe verificar peridicamente si las uniones elctricas estn bien ajustadas y sin seales de oxidacin.

Mantenimiento de las bateras

Observar peridicamente el nivel de agua en cada uno de los compartimentos de todas las bateras. En caso de que el nivel estuviera bajo, completar con agua desmineralizada.

Inspeccionar los terminales a fin de verificar si estn bien ajustados y sin corrosin.

Observar si existe sulfatacin, pues esto podra indicar gas en la batera y por tanto un fallo del sistema de regulacin.

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