Energas Renovables.

Energa Solar Fotovoltaica

Ing. Msc. Prof. Jos Rafael Pineda Briceo.

Solamente 10 minutos de irradiacin solar sobre

la superficie de la tierra, es igual al consumo

humano total anual.

LA SOLUCION ES LA ENERGIA SOLAR

CO2. Protocolo de Kyoto se creo en Ro de Janeiroen 1992, en donde las diferentes naciones del mundosuscribieron la Convencin Marco de las NacionesUnidas sobre el Cambio Climtico y as poner lmitesa las emisiones de gases invernadero (dixido decarbono, gas metano, xido nitroso,hidroflurocarbonos, perfluorocarbonos y elhexafloruro de azufre).

En 1995, Venezuela emita aproximadamente 240millones de toneladas de gas carbnico(CO2). La mitad por el consumo de energa, y laotra mitad por la destruccin de los bosquesnaturales del pas.

JUSTIFICACION POR EMISION DE CO2, Y OTROS CONTAMINANTES

QUE HACER?

Produccin de electricidad mediante una fuentesegura y no contaminante como es la energasolar.

Existen dos grupos o conjuntos deprocedimientos para la generacin.

PRIMER GRUPO

SISTEMAS TERMOSOLARES

SISTEMA DE CONVERSIN TERMODINMICA

SEGUNDO GRUPO

SISTEMA DIRECTOS.

Interaccin fsica de fotones de la radiacinincidente y los electrones de los materialessobre los que inciden creciente nmero deaplicaciones prcticas (Efecto Fotovoltaico).

LA ENERGIA DEL SOL

La masa del sol es igual a la suma de 300.000planetas iguales a la tierra.

Brilla desde hace 5.000 millones de aos.

Cmo lo hace?. Se producen reacciones nucleares dehidrgeno (su elemento ms abundante) para formartomos de Helio, y al mismo tiempo una pequeamasa de dichos tomos se convierte en energa deacuerdo a E m c2, la cual fluye desde el interiorhasta la superficie (fotsfera), y desde all se irradiaal espacio en todas direcciones.

Cmo se irradia ?

Se irradia en forma de ondas electromagnticas(fotones) que viajan a 300.000 km/s, tardando 8minutos en traspasar los 150 millones de km dedistancia entre el sol y la tierra

Cada minuto el sol irradia en todas las direcciones delespacio una energa de 4x1026 julios, o sea genera unapotencia de 4x1023 kW.

Cunto es sto?.

La suma de las potencias de todas las plantasgeneradoras del mundo juntas es 200 billones deveces ms pequea que esta energa.

LA ENERGIA DEL SOL cont.

LA ENERGIA DEL SOL (cont...)

En solo un segundo, el sol irradia mucha msenerga que la consumida por todo el generohumano desde sus albores hasta nuestrosdas.

La mayor parte de los fotones emitidos por elSol, tiene una longitud de onda comprendidaentre 0.3 um, 3 um.

Captadas por el ojo humano, las que van desde0.4 um a 0.7 um. Lo que se llama luz visible.

Qu pasa con el resto de radiacin < 0.4 um y >0.7 um, ?(.)

An no ha sido aprovechable.

LA RADIACIN SOLAR

Si dividimos la potencia anterior por la superficie de laesfera de la tierra

I= P/S = 1.4 kW/m2, siendo el r de la tierra de r= 1.5x 1011 m.

La medida por los satlites artificiales justamente porencima de la atmsfera es de 1.367 W/m2.

La Constante Solar sufre ligeras variaciones por laforma elptica de la rbita terrestre La constante es unpoco mayor durante los meses de diciembre y enero,distancia sol a la tierra menor. La constante un pocomenor durante los meses de junio y julio, en los que ladistancia sol tierra es mxima.

LA CONSTANTE SOLAR

Para cada da del ao, la constante solar es:

C= 1367 x{1 +( 0.033 cos (0.973 N)

N= 1 el primero de Enero y N = 365 el 31 deDiciembre.

LA CONSTANTE SOLAR

EFECTO DE LA ATMSFERA

Fenmenos de atenuacin de la energa solar:

1. Reflexin de la parte superior de las nubes.

2. Absorcin parcial por las molculas de aireatmosfrico.

Este ltimo fenmeno hace que la intensidad quellega a la superficie en das despejados y conatmsfera muy limpia sea de mximo 1.100 W/m2.

En la prctica rara vez se miden valores superioresa 1000 W/m2.

Para los efectos energticos, no toda llega en lnearecta, nos interesa la suma de tanto la energadirecta como la difusa. (Un tercio de la total que serecibe a lo largo del ao).

Se llama irradiacin E, la cantidad total de energaradiante que llega a una superficie determinada en untiempo t.

Hay otro trmino llamado Intensidad radiante oirradiancia I, que es la energa incidente por unidad detiempo y de superficie, es decir:

I = E/St

Esta intensidad I, puede variar dependiendo del angulo(alfa) que forme el rayo incidente, y la superficie en la cualincide.

ID = ID x cos (alfa)

Por la misma razn, regiones de latitudes altas recibenmucho menos energa, que las ms cercanas al ecuador.

IRRADIACION DIRECTA SOBRE UNA SUPERFICIE

IF = IF x (1 + cos (alfa))/2

Para medir la irradiacin total que unasuperficie recibe, en un determinado nmerode das o meses, se emplean unos aparatosllamados piranmetros.

IRRADIACION DIFUSA SOBRE UNA SUPERFICIE

CONCEPTOS DE ASTRONOMIA DE POSICION SOLAR

ALTURA SOLAR h es el ngulo que forman los rayossolares sobre la superficie horizontal.

AZIMUT SOLAR A, o ngulo azimutal, es el ngulo degiro del Sol, medido sobre el plano horizontalmediante la proyeccin del rayo sobre dicho plano ytomando como origen el Sur. Se considera negativocuando el Sol esta hacia el Este (por la maana), ypositivo cuando se sita hacia el Oeste (despus delmedioda).

Estos ngulos en un instante dado, son distintos parados observadores situados en distintos lugares delplaneta, por lo que deben ser calculadas para cadalatitud geogrfica.

CONCEPTOS DE ASTRONOMIA DE POSICIN SOLAR

96970

88660

77350

63540

47330

29420

10710

I (W/m2)H (grados)

Las estaciones solares. Son debidas al ngulo deinclinacin de la tierra, y es el responsable de ladiferente duracin del da segn la poca del ao.Un observador situado en el hemisferio Norte, tienemucho ms tiempo de sol en Junio que enDiciembre, ya que el Sol ilumina una zona msamplia en dicho hemisferio.

ngulo de inclinacin de la tierra. El eje derotacin de la tierra, que une los Polos Norte y Sur,forma un ngulo de 23,5 grados con la normal alplano donde esta contenida la rbita terrestre,llamado Plano de la Eclptica

CONCEPTOS DE ASTRONOMIA DE POSICIN SOLAR (Cont...)

CONCEPTOS DE ASTRONOMIA DE POSICIN SOLAR (Cont..)

Tiempo Solar Verdadero: El tiempo que transcurre entredos puntos consecutivos del Sol, por una misma posicinangular en la bveda celeste, el cual no es constante e igual a24 horas, sino que experimenta fluctuaciones a lo largo delao.

Hora Normal o Civil: La que marca el reloj, uniforme cadada del ao, cada da debe tener 24 horas

Existe un desfase variable a lo largo del ao, entre la tiempocivil y el llamado tiempo solar verdadero ya que este ltimonicamente tiene en cuenta la posicin real del Sol en labveda celeste.

Esta diferencia es mucho mayor cuando mayor sea ladiferencia entre el meridiano del lugar, y el que sirve comoreferencia (meridiano standard) para determinar la horaque se asigna a todo el pas.

CONCEPTOS DE ASTRONOMIA DE POSICIN SOLAR (Cont..)

Por razones prcticas se conviene en asignar una horacivil para todo el pas, o una amplia zona del mismo (otres como USA), a pesar de que la posicin relativa delSol en la bveda celeste es diferente para cada punto,siendo el tiempo solar distinto para dos puntos nosituados en el mismo meridiano.

El problema es determinar exactamente el verdaderomedioda solar, o sea cuando el azimut solar vale cero,en un lugar concreto, ya que en este punto la elevacindel Sol es mxima, las sombras mnimas, y la sombrasobre el suelo de una varilla vertical coincidira con ladireccin del meridiano ( Sur- Norte), direccin precisaa determinar con exactitud, para orientaradecuadamente los captadores de una instalacin.

El medioda solar verdadero, no coincide con el momentocuando el reloj marque las doce del medioda, inclusoprescindiendo de los habituales adelantos que algunospases oficializan para aprovechar mejor las horas de luznatural en relacin con el horario laboral.

La desviacin D = Et + AL/15

Donde Et es la llamada ecuacin del tiempo, expresadaen minutos

Et = -9.9 sen (198 + 1.97 N) 7.4 sen (175 + 0.99 N)

N = 1, 1ro de Enero y N = 365, 31 Diciembre.

CONCEPTOS DE ASTRONOMIA DE POSICIN SOLAR (Cont..)

AL = Diferencia expresada en minutos delarco, entre la longitud geogrfica (meridianolocal) del punto considerado y el meridianostandar del pas o zona, que sirve de referenciapara fijar la hora legal por la cual se rige dichopas o zona. (Venezuela, meridiano standard67 grados 30 minutos positivos hacia el Oeste).

Esta diferencia calculada sobre Caracas es 2.48minutos. Hora civil adelantada 2.48 minutosrespecto a la hora solar. El medioda solar seproducir a las 12 horas 2. 48 minutos

CONCEPTOS DE ASTRONOMIA DE POSICION SOLAR (Cont.)

CONCEPTOS DE ASTRONOMIA DE POSICION SOLAR cont.

El mtodo descrito tiene una precisin de unminuto, ya que la ecuacin del tiempo NO es lamisma para cada ao.

El mtodo solo sirve para determinar elmedioda solar, y orientar bien un colector, nopara hacer clculos muy precisos, y su precisines superior a utilizar una brjula convencional,incluso efectuando las correcciones necesarias.

Comportamiento de semiconductores [conjunto desustancias con resistividad entre 10-6 y 108 ohm-m],bajo ciertas circunstancias, que son capaces de crearuna fuerza electromotriz ( voltaje).

Dos Tipos de semiconductores

Tipo N. Adicionndoles impurezas apropiadas, atener exceso de electrones en determinadasposiciones

Tipo P . Defecto de electrones, un exceso de hueco(lugares vacos dejados por los electrones al emigrarestos a otras posiciones).

Al colocar en contacto un cuerpo cristalinosemiconductor tipo N, con otro del tipo P, se crea unaunin P-N.

CONVERSION DE LA ENERGIA SOLAR EFECTO FOTOVOLTAICO (Cont.)

CONVERSIN DE LA ENERGIA SOLAR UNION P-N (Cont.)

Los electrones en exceso de N, y los huecos de P, tiendena difundirse a travs de la superficie comn de separacin,penetrando un poco al otro lado de dicha frontera.

Como cada semiconductor es elctricamente neutro, elsemiconductor tipo N se carga positivamente, y el P secarga negativamente.

Se establece una diferencia de potencia de unas dcimasde voltio, la cual da lugar a un campo elctrico querestablece el equilibrio.

Si incide luz sobre la zona de la unin, los fotones de lamisma liberaran electrones adicionales y al mismo tiempodejaran huecos en su lugar.

CONVERSION DE LA ENERGIA SOLAR UNION P-N (Cont.)

Estos pares electrn-hueco, por efecto del campoelctrico, adquieren movimiento (energa), que puedeser recogida mediante un conductor: aparece unacorriente elctrica.

Si el fotn no esta presente, la corriente cesa.

Materiales usados para la obtencin de electricidad, elsilicio, el selenio, y el galio, as como otros elementos,monocristalinos, policristalinos e incluso amorfos.

Las clulas fotovoltaicas suministran un voltaje que esproporcional a la intensidad de la radiacin incidente, yaprovechando solo las longitudes de onda para el siliciopor ejemplo entre 3000 A y 11.000 A, con una eficienciamaxima en 8.000 A (A = Angstrom)

SISTEMA TERMOSOLARES.

En 1954 Bell Telephone en New Yersey

(GaAs) Arseniuro de Galio

SCd Sulfuro de Cobre

Silicio Monocristalino

Silico Policristalino

Silicio Amorfo

Pelculas Finas (Capa Delgada)

Clulas Bifaciales ( aprovechamiento de las dos caras usando lentes de Tresnel)

HISTORIA

EFECTO FOTOVOLTAICO

Fotn incide sobre el material semiconductor,liberando electrones (produccin de un calor intil)por los choques con la estructura atmica.

EFECTO FOTOVOLTAICO (Cont..)

Ventas anuales de Modelos en el 2007: 3300 MW 80% trmicos.

La clave es sacar los electrones tan rpido seaposible, antes de que se re combinen con los huecos( lugares vacos que dejan los electrones)

EFECTO FOTOVOLTAICO (Cont.)

Longitudes de Onda o frecuencias del fotnincidente

350 1100 nm 800 nm max

350 800 nm 520 max amorfo

Luz Solar (mezcla de fotones a frecuenciasdiferentes)

Respuesta Espectral para cada frecuencia.

CELULAS TIPOS DE CELULAS

Metodo Czochralski (Cz)

Otras energas como la Energa Elica(Viento Diferencia de temperatura producidapor la energa solar sobre la atmsfera.)

PANEL SOLAR

Una clula solar de 1 o 2 W, produce 0.5 V

Hay mdulos de 6V, 12V, 24V, para configurar otro panel ms grande o Modulo Fotovoltaico

Un panel de 12V contiene 30 a 40 clulas aprox.

Componentes del Panel (formado por un sndwich)

1. Vidrio templado

2. EVA (Ethylene Vinl Acetato)

3. Clula Solar

4. EVA

5. Tedlar

6. Polister

7. Tedlar

CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS PANELES SOLARES

Forma rectangular o cuadrada desde 0.1 m2 1 m2

Grueso total 3 cms (sin incluir el marco protector)

Ejemplo: Panel de 0.5 m2 pesa de 6 a 7 Kg.

CARACTERISTICAS ELECTRICAS DE UN PANEL

Isc: Intensidad mxima de la corriente que se puedeobtener de un panel bajo condiciones normalizadas, atravs de un ampermetro de resistencia nulaprovocando un cortocircuito, cada de potencial cero.

Voc: Es el voltaje mximo que se podra medir con unvoltmetro, sin permitir que pase corriente alguna entrelos bornes de un panel.

Corriente i a un determinado voltaje V. Operacinprctica de un panel, corriente i que fluye, a travs deun circuito externo que une los bornes del mismo y quepresenta una resistencia R que define la caractersticaelctrica del circuito (curva intensidad vs voltaje) cuyainterseccin con la propia curva del panel, fija el voltajede operacin del mismo , y la intensidad que se entregaal circuito. (Punto de Operacin).

CARACTERISTICAS ELECTRICAS DE UN PANEL

Pm: producto de i x V, que sera mxima para un cierto parde valores (i y V) en principio desconocidos.

Un panel trabaja en condiciones de potencia mxima cuandola resistencia del circuito externo es tal que determina unosvalores de iM y VM tales que su producto sea mximo.Normalmente el panel no trabaja en condiciones de potenciamxima, ya que la resistencia exterior esta fijada por lascaractersticas propias del circuito, aunque existe laposibilidad de utilizar dispositivos electrnicos seguidoresdel punto de mxima potencia, esto supone un costeadicional.

Rendimiento N Potencia elctrica Producida/Potencia deradiacin incidente

FF Pm/(isc x Voc) = im x Vm/(isc x Voc)

CURVA I V DE UN PANEL SOLAR

Punto A de operacin normal de trabajo

Punto B Max. ( no trabaja en este punto)

El rea del rectngulo im x Vm es el mayor rectngulo posible

Vm = 0.8 Voc

FF = rea B/ rea C

Si se quiere usar un panel para cargar una batera de 12 V, V = 13 ( un poco mayor)

Ecuacin de Comportamiento

I = isc [ 1-e(B(V-Voc + Ai))]

V = Voc-Ai + (1/b) Ln ( 1- i/isc)

A y B son parmetros del modulo, de sus caractersticas y de las condiciones a la que este sometido.

CARACTERISTICAS ELECTRICAS DE UN PANEL SOLAR (Cont.)

CARACTERISTICAS ELECTRICAS DE UN PANEL SOLAR (Cont.)

La intensidad radiante incidente sobre el panel, o latemperatura, son las variables que ms influencia tienen enla respuesta elctrica del panel.

El voltaje disminuye a razn de 0.0023 volt por cada cluladel panel por cada grado centgrado por encima de 25grados C.

La corriente aumenta a razn de 15 uA por cada centmetrode clula y grado C de temperatura por encima de 25grados C.

En la prctica la potencia del panel disminuyeaproximadamente un 0.5 % por cada grado C de aumentopor encima de 25 grados C.

A titulo orientativo

At = 0.034 x Intensidad media de la radiacin solar 4.

CARACTERISTICAS ELECTRICAS DE UN PANEL SOLAR (Cont.)

Potencia Nominal Pico

Es la proporcionada al recibir el panel una radiacin de1000 W/m2 cuando la temperatura es de 25 grados C.

El nombre pico constituye un pico mximo en lasmedidas reales de la intensidad radiante (irradiacinobtenida en un da claro de sol cercano al Cenit).

* Por lo general la potencia real producida por el panel, esinferior a la nominal pico.

Potencia Nominales de Paneles ms usuales

5 W, 10W, 20W, 35 E, 40W, 60 W y 100 W.

Paneles de 18 clulas 6 V, 36 clulas 12 V.

Los paneles deben conectarse usando las mismascaractersticas i V, a fin de evitardescompensaciones

Mdulos conectados en serie tienen un diodo by-pass o de derivacin conectados en paralelo entresus terminales.

INTERCONEXION DE PANELES.

INTERCONEXION DE PANELES

Ejemplo: Se requieren 100 kW instalados

Se establecen 20 ramas de 5 kW c/u, para obtener los100 kW.

Cada panel contara con 20 paneles de 250 W c/u.para obtener los 5 kW.

Dependiendo del tipo de sistema seclasifican en:

Aislados

Conectados a la Red

DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO

COMPONENTES DE UNA INSTALACION FOTOVOLTAICA

Acumuladores.

Es necesaria su presencia en los momentos en que noexiste incidencia luminosa o esta es dbil, cumple dosimportantes misiones:

1.- Suministrar una potencia instantnea, superior a laque el campo de paneles puede generar, durante untiempo limitado, caso : arranque de motores

2.- Mantener un nivel de tensin estable, ya queproporciona un voltaje estable y constante (dentro de uncierto rango Ej. 11 a 15 V), independiente de la incidencialuminosa.

Bateras

Reguladores

Convertidores o inversores

Otros Elementos

Criterios y estudios de necesidades a cubrir.

Clculo de la capacidad y determinacin delacumulador.

Clculo de la potencia de los paneles.

Clculo del regulador.

Clculo del inversor.

DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO

EJEMPLO:

EDIFICIO DE EDUCACIN PRIMARIA DEL COLEGIO SANTO TOMAS DE VILLANUEVA.

CARACAS

EJEMPLO DEL DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO

DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A LA RED

Criterios y estudios de necesidades a cubrir.

Clculo de la potencia de los paneles.

Clculo del regulador.

Clculo del inversor.

DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO CONECTADO A LA RED

Vista interior de un Inversor

ESTUDIO DE VIABILIDADCARACTERISTICAS FISICAS REQUERIDAS SISTEMA AISLADO

1000 W de electricidad producida caben en menos de 10 m2 9.29 m2

para un sistema de silicio cristalino.1000 W de electricidad producida caben en 16.25 m2 para un sistema decapa fina.El techo debe soportar 1.36 a 2.7 kg por 0.09 m2( 3 5 libras / ft2)

GARANTIASGaranta del Sistema: 25 aosGaranta del Inversor: 10 aos

PRODUCCION ESTIMADA1000 W producen unos 1400 1700 kWh/ao5000 W produce unos 7000 8500 kWh/ao

VIDA UTIL DEL SISTEMADuracin 30 aos, retorno de la inversin cuando hay incentivos en 5aos.

Rentabilidad econmica:Ejemplo de ahorros y aumento del valor de la propiedad por unsistema elctrico solar.Promedio mensual de la factura de electricidad $100 al mes.Tamao estimado requerido 448 kW.Costo del Sistema (a $9 por watt promedio nacional USA) $40,320Costo Estimado del sistema luego de los crditos de impuestos yreembolsos (Colorado) $12,544Ahorro estimado en el 1er ano, de la factura de electricidad $518 to$988Valor estimado de incremento del valor de la propiedad $10,360*Pago mensual estimado del sistema (65% inters Anual, 30 aos)$79*Si se toma como base el ahorro de electricidad promedio sobre 25anos, de $869 a $1,658, el aumento del valor de la propiedad es de$17,380.

SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO

Rentabilidad econmica

In= [f Eg pc (1+tc)n+(1-f) Eg pv (1+tv)

n]/(1+e)n

Donde:

In = ingresos en el ao, referiados al primer ao.

n = nmero de aos

e = Interes del dinero

tv =Tasa de variacin del precio de venta de la electricidad

tc =Tasa de variacin del precio de compra de la electricidad

pc= precio al cual se compra la electricidad

pv= precio al cual se vende la electricidad

Eg =Energa anual generada

f = Porcentaje de autoconsumo en tanto por uno

PARQUES FOTOVOLTAICOS

Mantenimiento: Se recomienda unmantenimiento de revisin anual del sistema,adems de las instrucciones mostradas en elmanual del mantenimiento del sistemasuministrado.

Los sistemas con componentes elctricosgeneralmente requieren reemplazar partesdespus de 10 anos de funcionamiento.

Los paneles solares solo puede necesitar serlimpiados en climas con lluvia escasa.

MANTENIMIENTO DE UNA INSTALACION FOTOVOLTAICA