SISTEMAS ELCTRICOS DE ENERGA SOLAR EN AREQUIPA

SISTEMAS ELCTRICOS DE ENERGA SOLAR EN AREQUIPA2013

SISTEMAS ELCTRICOS DE ENERGA SOLAR EN AREQUIPA

RESUMEN DEL TRABAJO Mencionado en el simposio internacional de sistemas elctricos de potencia:Los sistemas elctricos son una de las creaciones humanas ms complejas de nuestra era. Las redes elctricas inteligentes son un complejo sistema, compuesto de mltiples subsistemas de energa interconectados e interrelacionados entre s a travs de mltiples tecnologas. La generacin, transmisin y consumo de energa de manera eficiente es uno de los retos por alcanzar de los sistemas elctricos y mas aun si son sistemas elctricos de energa solar.Un sistema elctrico de energa solar tiene como base el sistema fotoelctrico. Segn Joshua Pearce: la energa solar fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable, obtenida directamente a partir de la radiacin solar mediante un dispositivo semiconductor denominado clula fotovoltaica, o una deposicin de metales sobre un sustrato llamado clula solar de pelcula fina.Este tipo de energa se usa para alimentar innumerables aparatos autnomos, abastecer refugios o casas aisladas de la red elctrica y para producir electricidad a gran escala a travs de redes de distribucin. Debido a la creciente demanda de energas renovables, la fabricacin de clulas solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los ltimos aos PALABRAS CLAVE Sistemas Elctricos, Energa Solar, Efecto FotoelctricoINTRODUCCIN El consumo global de hidrocarburos ha vivido un crecimiento exponencial, desde su concepcin como fuente de energa. Esta conducta global ha creado una dependencia directa del desarrollo social frente al combustible; son pocas las industrias que no operen algn equipo que requiera una fuente de alimentacin de esta naturaleza, es por esto que una crisis energtica que habla sobre la escasez de este tipo de energa alarma a la poblacin entera, y mucho ms an a las industrias.El aprovechamiento de energa renovable, constituye una importante alternativa frente a esta amenazante escasez de combustibles, fsiles y fluidos, alrededor del mundo entero.Adems, la aplicacin de sistemas limpios en las diferentes industrias del pas, constituye tambin una fuente clave para la reduccin de costos operativos, el incremento de la eficiencia organizacional y la adaptacin a la tendencia mundial por proteger al medio ambiente y reducir, cada vez ms, el impacto social negativo que podamos generar en el ecosistema a causa de nuestros procesos.Es de vital importancia que los profesionales actuales salgan a trabajar a las industrias con una conciencia clara de la importancia de aplicar alternativas y sistemas de produccin limpios en la industria, a fin de mantener a la misma sostenible y redituable en el tiempo. De tal forma que se cree una cultura ambiental uniforme en lo amplio de ella que permita mayores beneficios sociales para el desarrollo de nuestra regin y el pas.1. CAPITULO I: Energa solar y efecto fotoelctrico 1.1. La energa Solar. Laenerga solares laenergaobtenida a partir del aprovechamiento de la radiacin electromagntica obtenida delSol. Elcalory laluzdel Sol pueden aprovecharse por medio de captadores como clulas fotovoltaicas, helistatos o colectores trmicos, que la transforman en energa elctrica o trmica. Denominamos energa solar directa a aquella energa obtenida del Sol sin transformar, que calienta e ilumina las superficies que alcanza. Su generacin, est condicionada a las reacciones interiores que experimenta la estrella solar a 5 500C, lo cual ocasiona una prdida de masa que se transforma posteriormente en la energa conocida como radiacin solar.La radiacin en el Sol es de 63 450 720 W/m2, mientras que el valor de radiacin solar recibida fuera de la atmosfera sobre una superficie perpendicular a los rayos solares , conocida como constante solar, es de 1 353 W/m2, con una variabilidad del 3% debido a la elipticidad de la rbita terrestre. Y aunque a la Tierra solo llega aproximadamente un 34% de la energa total interceptada por la atmosfera, la radiacin solar disponible es varios miles de veces ms que el consumo energtico mundial. (Formacin, 2007)

Tipos de energa solarPodemos categorizar tres componentes de radiacin solar en funcin a la forma de incidencia de estos sobre la Tierra, as tenemos:Directa, aquella recibida desde el Sol, sin sufrir desviacin en su paso por la atmosfera.Difusa, aquella que ha sufrido cambios de direccin por efectos de la reflexin y difusin de la atmosferaAlbedo, Es la radiacin directa y difusa que se recibe por reflexin en el suelo u otras superficies prximas. (Formacin, 2007)

Aunque la Tierra experimenta las tres, la mayor y ms importante es la radiacin directa, la cual utilizaremos para la conversin en energa elctrica a partir de sistemas fotovoltaicos. Sin embargo la radiacin difusa apoya mucho cuando la radiacin directa no llega a la superficie deseada por un obstculo inevitable.

Respecto a este ltimo comentario, cabe destacar que la proporcin de cada tipo de energa solar que reciba una superficie estar en funcin de tres condiciones:

Condiciones meteorolgicas, un da nublado cuenta con mayor radiacin difusa, mientras que en uno soleado con directa. Inclinacin de la superficie respecto al plano horizontal, una superficie horizontal recibe la mxima radiacin difusa y la mnima reflejada. Presencia de superficies reflectantes, las superficies claras son las ms reflectantes por lo que la radiacin reflejada aumenta en invierno por el efecto nieve.

Sistemas de aplicacin y transformacin de energa solar: Utilizacin directa: Mediante la incorporacin de acristalamientos y otros elementos arquitectnicos con elevada masa y capacidad de absorcin de energa trmica, es la llamada energa solar trmica pasiva. Transformacin en calor: Es la llamada energa solar trmica, que consiste en el aprovechamiento de la radiacin que proviene del Sol para calentar los fluidos que circulan por el interior de captadores solares trmicos. Este fluido se puede destinar para el agua caliente sanitaria (ACS), dar apoyo en la calefaccin de piscinas, reemplazar sistemas de calderos para lavanderas y textiles, etc. Transformacin en electricidad: Es la llamada energa solar fotovoltaica que permite transformar en electricidad la radiacin solar por medio de clulas fotovoltaicas integrantes de mdulos solares. Esta electricidad se puede utilizar de manera directa, se puede almacenar en acumuladores para un uso posterior, e incluso se puede introducir en la red de distribucin elctrica.

Ventajas y desventajas de la Utilizacin de Energa Solar:VENTAJAS Escaso impacto ambiental No produce residuos perjudiciales para el medio ambiente. Distribuible y aplicable en todo el mundo. No existen costes luego de la instalacin inicial, excepto por el sencillo mantenimiento. No hay dependencia de compaas suministradorasINCONVENIENTES: Se precisan sistemas de acumulacin (bateras) que contienen agentes qumicos peligrosos. Puede afectar a los ecosistemas pro al extensin ocupada por los paneles en caso de grandes instalaciones. Impacto visual negativo sino se cuida la integracin de los mdulos solares en el entorno.

En la actualidad existe ms de un solo sistema de aprovechamiento de la radiacin electromagntica disponible en la energa solar diaria.1.2. Semiconductores tipo p y n Los tomos de silicio forman una red cristalina con otros tomos de silicio a travs de sus 4 electrones en su orbital. Los tomos comparten uno de sus cuatro electrones con los dems tomos que los rodean, formando enlaces que mantienen unida la estructura. Al compartir dichos electrones con sus tomos vecinos toma la configuracin de gas noble.La aportacin de energa externa a la red provoca que estos electrones se rompan o se liberen del enlace, entonces el electrn puede moverse libremente en la red cristalina, entonces deja un hueco en ella. La libertad de movimiento se conoce como conductividad intrnsecaLa conductividad no produce electricidad sino cuando se introducen impurezas a la red cristalina, la introduccin de atomos de impurezas se denomiina dopado.Si se introduce fosforo, nos encontramos con un dopado de tipo N y si se introduce boro tenemos un dopado de tipo P. En un semiconductor de tipo N, existe exceso de electrones, en un tipo P, exceso de huecos.

Qu ocurre si en un material semiconductor se introducen impurezas de tipo N por un lado e impurezas de tipo P por otro?En la red cristalina se forma una unin PN con dos regiones separadas. En esta unin los electrones que hay en regin N se difunden en la regin P.1.3. El efecto fotoelctrico El efecto fotoelctrico es la base de la produccin de energa elctrica por radiacin solar y del aprovechamiento energtico de la energa solar.El efecto fotoelctrico se utiliza tambin para la fabricacin de clulas utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales termoelctricas. Este efecto es tambin el principio de funcionamiento de los sensores utilizados en las cmaras digitales. Tambin se utiliza en diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en las clulas fotovoltaicas y en electroscopios o electrmetros. En la actualidad los materiales fotosensibles ms utilizados son, aparte de los derivados del cobre (ahora en menor uso), el silicio, que produce corrientes elctricas mayoresClasificacin por tecnologas y su correspondiente uso ms general:Energa solar pasiva: Aprovecha el calor del sol sin necesidad de mecanismos o sistemas mecnicos. Energa solar trmica: Para producir agua caliente de baja temperatura para uso sanitario y calefaccin. Energa solar fotovoltaica: Para producir electricidad mediante placas de semiconductores que se alteran con la radiacin solar.Capitulo II: Clula fotovoltaica de silicioLos principios bsicos del efecto fotoelctrico fueron enunciados por el fsico alemn Heinrich Rudolf Hertz en 1887. ste observ que, entre dos esferas metalizas a diferente potencial, la chispa saltaba ms fcilmente si eran fuertemente iluminadas. Otros experimentos le llevaron a la conclusin de que los metales emiten cargas negativas bajo la accin de la luz, fenmeno al que llamo efecto foto elctrico.El efecto de la luz sobre las superficies metlicas puede ser de tres tipos: Fotoemisivo: que provoca un arranque de electrones, con emisin de los mismos. Fotoconductivo: que modifica la conductividad del metal. Fotovoltaico: que crea una fuerza electromotriz en el metalEste ltimo efecto fue el fundamento de las clulas fotovoltaicas. Ya en 1954 se fabric una clula capaz de convertir, de modo eficaz, la luz solar en corriente elctrica.Debido a la crisis energtica sufrida por los pases industrializados se ha despertado recientemente un especial inters en la tecnologa de estos dispositivos. En el ao 1954 se invent la celda fotovoltica de silicio, en la que los electrones que se liberan en el interior de una juntura semiconductora N-P iluminada dan lugar a una fuerza electromotriz en la misma.Debido a las propiedades del silicio esta celda es particularmente sensible dentro de la gama infrarroja. En su estructura bsica destaca la superficie fotosensitiva hecha a base de silicio, de cuya capa, y por medio de una pequea tira colectora de plata, se deriva la terminal positiva de la celda. La parte posterior de la celda, que representa la terminal negativa, es un electrodo formado de niquel y estao.Caractersticas de las clulas fotovoltaicas de silicio: Se presenta en tres formas: Monocristalino Policristalino Amorfo Es el ms utilizado por ser el ms abundante y barato de obtener Tiene una banda prohibida (1.11 e.v.) muy adecuada Tiene un buen rendimientoPrdidas y rendimientoLa clula fotovoltaica tiene una serie de prdidas que limitan su rendimiento: Sombra causada por la conexin elctrica y reflexin de parte de la radiacin solar: 3% Energa de los fotones demasiado baja como para romper el enlace del silicio y generar un par electrn-hueco: 22% Energa de los fotones demasiado elevada para romper el enlace del silicio: 30% Perdidas de energa debido a la recombinacin de electrones y hueco: 8.5% Perdida por tensin de la clula: 20% Perdidas por las resistencias: 0.5%Todo ello limita el rendimiento global de la clula foto elctrica a aproximadamente 16%Tipos de clulas fotovoltaicas de silicioClulas de silicio monocristalinoLas clulas de silicio monocristalino poseen una estructura muy uniforme. Se fabrican en cilindros que posteriormente se cortan en obleas; su fabricacin es lenta y consume mucha energa. Las mejoras en la eficiencia del silicio policristalino han hecho disminuir la presencia en el mercado de las clulas de monocristalino. El rendimiento de las clulas de silicio monocristalino suele variar entre el 15% y el 18%, tiene buena relacin Wp m (~150 WC/m) lo que ahorra espacio en caso necesario.Tradicionalmente ms caro que el policristalino, el precio de ambos se han aproximado en gran medida el da de hoy. La estructura atmica est muy ordenada y tiene un color azul metlico.Celulas de silicio policristalinoLas clulas de silicio policristalino tienen una estructura no uniforme; se fabrican en moldes rectangulares y su coste de fabricacin es menor que el silicio monocristalino. Hoy en da; la mayor parte de los paneles solares que se comercializan estn formados por clulas de silicio policristalino. La eficiencia de las clulas de policristalino hasta hace unos aos era sensiblemente ms baja que la eficiencia de las de silicio monocristalino. Sin embargo, el rendimiento del primero viene igualando, en los ltimos tiempos, que el del segundo. Los paneles de silicio policristalino poseen una eficiencia de entre 13% y 16%, si bien se trata de valores que aumentan sensiblemente cada ao. Tiene una Eficiencia de conversin ptima, alrededor de 100 Wp/m, pero un poco menor que en el monocristalino.

Clula de silicio monocristalino (izquierda) y una de silicio policristalino (derecha)Clulas de silicio amorfoLas clulas solares de capa fina vienen fabricndose desde la dcada de los noventa. En ellas el semiconductor se deposita en forma de fina capa sobre un sustrato de bajo coste (cristal en la mayora de los casos). Los materiales que se suele usar como semiconductor son el silicio amorfo, el cobre-indio-diselenio (CIS), el teturo de cadmio (CdTe) y el cobre-indio-galio-selenio (CIGS).Las clulas de silicio amorfo poseen una estructura no cristalina. El silicio amorgo se puede depositar como una capa fina de diversos tipos de soportes, abriendo asi la posibilidad de construir clulas (y modulos fotovoltaios) flexibles. Su coste de fabricacin es relativamente bajo, pues el silicio amorfo no requiere de un proceso de cristalizacin previo, sino que basta extrater el oxgeno del xido de silicio para obtenerlo. Uno de los problemas del silicio amorfo, sin embargo, su meno eficiencia con respecto al silicio monocristalino y policristalino. Adems, las juntas de silicio amorfo se degradan al poco tiempo de exposicin a la luz solar y su eficiencia se estabiliza en un valor inferior al inicial. Tradicionalmente, el mayor nmero de paneles solares han sido fabricados mediante silicio amorfo debido a su bajo coste de fabricacin. Los paneles de capa fina fabricados con silicio amorfo poseen un rendimiento estabilizado de alrededor del 6%.En las tecnologas de capa fina, debido a la elevada absorcin luminosa de los materiales semiconductores que se emplean en ellas, basta una capa de 0.0001 mm para efectuar su labor de conversin de la energa solar en electricidad. Las temperaturas de fabricacin son ms bajas y, por tanto, la cantidad de energa consumida en el proceso es menor; adems su eficiencia es mayor en condiciones de luz difusa. No obstante, la tecnologa posee tambin desventajas: en el caso del silicio amorfo, la eficiencia es baja; en los otros casos, el uso de cadmio, material sumamente toxico, hace el proceso de fabricacin complejo y contaminante.

Clula de capa fina

Si MonocristalinoSi PolicristalinoSi Amorfo

Rendimiento15%-18%13%-16%6%

Ventajas Alto y estable rendimientoTecnologa fiableNmero de fabricantes elevado.Costo de fabricacin menorFabricacin ms sencillaMejor ocupacin del espacioCosto de fabricacin ms bajoNecesidad de material y energa en la fabricacin Buen rendimiento con baja radiacin Flexible

DesventajasCosto elevadoCantidad de material necesaria a la fabricacin. ComplejidadComplejidad Sensibilidad a las impurezasBajo rendimiento en condiciones de iluminacin baja.Bajo rendimientoDeterioro inicial

Ventajas, desventajas y rendimiento de los tipos de clulas de silicioArseniuro de GalioEste semiconductor tiene buenos rendimientos con pequeos espesores, mantiene sus caractersticas a elevadas temperaturas, adems presenta tolerancia a radiaciones ionizantes. La ventaja del arseniuro de galio sobre el silicio de grado solar es que ofrece casi el doble de eficiencia (27%) comparado con el silicio. La gran desventaja, debido a que entre otros el material es raro y poco abundante, es el precio. Pero en recientes investigaciones se logr conseguir una eficiencia, en clulas fotovoltaicas haciendo uso del Arsenico de Galio, de 33.9% y de forma econmicamente viable. Capitulo III: Sistemas fotovoltaicos de ubicacin remota Los sistemas aislados se utilizan normalmente para proporcionar electricidad a los usuarios con consumos de energa muy bajos para los cuales no compensa pagar el coste de la conexin a la red, y para los que sera muy difcil conectarlos debido a su posicin poco accesible. Ya a partir de distancias de ms de 3 Km. de la red elctrica, podra resultar conveniente instalar un sistema fotovoltaico para alimentar una vivienda.La energa se acumula en una serie de acumuladores recargables (bateras), dimensionados de la manera que garanticen una suficiente autonoma para los periodos en los que el sistema fotovoltaico no produce electricidad. La tecnologa actual permite usar bateras de plomo acido de larga duracin (ms de 6 aos), con exigencias de mantenimiento casi nulas.Los sistemas fotovoltaicos aislados tienen distinta estructura en funcin de los elementos que los componen. As se pueden distinguir tres tipos: Directamente conectados a una carga: sistema mas simple, el generados se conexta directamente a la carga. Son bastante fiables, pero resulta mantener una eficiciencia a los largo del da. Se utilizan fundamentalmente en bombeo de agua.

Sistemas con regulador y batera: para mdulos de 33 36 clulas, en la cual se conecta el generador fotovoltaico a una batera a travs de un regulador para que esta no se sobrecargue. Al igual que los sistemas conectados con una carga usa corriente continua.

Sistemas con regulador, batera e inversor: Necesita energa en corriente alterna.

Es necesario que en los sistemas aislado que el generador fotovoltaico este dimensionado de una manera que permita, durante las horas de irradiacin solar, tanto la alimentacin de la cantidad de energa necesaria, como la recarga de las bateras de acumulacin.

CAPITULO VI: Sistemas FV conectados a la Red Elctrica (Grid Tied)Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red elctrica (SFCR) constituyen una de las aplicaciones de la energa solar fotovoltaica que ms atencin estn recibiendo en los ltimos aos, dado su elevado potencial de utilizacin en zonas urbanizadas prximas a la red elctrica. Estos sistemas estn compuestos por un generador fotovoltaico que se encuentra conectado a la red elctrica convencional a travs de un inversor, producindose un intercambio energtico entre sta y el sistema fotovoltaico, caracterstico de este tipo de instalaciones. As, el sistema inyecta energa en la red cuando su produccin supera al consumo local, y extrae energa de ella en caso contrario.

La diferencia fundamental entre un sistema fotovoltaico autnomo y los conectados a red, consiste en la ausencia, en este ltimo caso, del subsistema de acumulacin, formado por la batera y la regulacin de carga. Adems, el inversor, en los sistemas conectados a red, deber estar en fase con la tensin de la red.

Uno de los factores favorables de los sistemas conectados a la red, es la posibilidad de mejorar la calidad del servicio de la energa suministrada por la red, ya que la mxima produccin del sistema fotovoltaico coincide con horas en que los problemas de suministro para las compaas elctricas son ms graves.

4.1. Grandes centrales FV de energa conectada a la Red Elctrica.

Central solarLas centrales solares son instalaciones destinadas a aprovechar la radiacin del Sol para generar energa elctrica.

Instalacin fotovoltaica (educa, 2013) la obtencin de energa elctrica se produce a travs de paneles fotovoltaicos que captan la energa luminosa del Sol para transformarla en energa elctrica. Para conseguir la transformacin se emplean clulas fotovoltaicas fabricadas con materiales semiconductores.Las instalaciones solares fotovoltaicas conectadas a la red son aquellas instalaciones que producen energa elctrica con el objeto de ser vertidas a la red elctrica existente y obtener un beneficio econmico.Este tipo de instalaciones han experimentado un gran auge en los ltimos aos debido a su rentabilidad econmica, ahora la energa no se produce para ser almacenada y consumida como en el caso de los sistemas aislados, sino que se produce para ser vendida a la compaa elctrica y recibir una prima econmica por cada Kwh vertido, con lo que en un plazo de aos razonable se amortiza la inversin inicial realizada.

Componentes de una instalacin: Generador, se refiere al grupo de paneles solares FV , que realizan la conversin de la radiacin solar en corriente continua Inversor de conexin a la Red, es el elemento que transforma la corriente continua (cc) en corriente alterna (ca) y se conecta a la red. Cableado y elementos de proteccin y medida, en cuanto el cableado se tendr el de los paneles hasta el inversor y del inversor a la red , se incorporan los elementos adecuados para sobre cargas y cortocircuitos en una caja general de proteccin; para la medida un contador de energa suministrada a la red. Centros de transformacin, este elemento eleva la tensin desde BT a MT, intercalndose entre el inversor de conexin a red que produce CA en baja tensin, y la red MT. Red elctrica, es el destino final de la energa producida, la instalacion se podr conectar en BT en aplicaciones de viviendas y MT en plantas solares como la de la joya. (moreno, 2011)

4.2. Pequeos Sistemas FV conectados a la red Este tipo de sistemas puede intercambiar energa elctrica con la red cuando la generacin excede las necesidades de energa del usuario y tomar energa de la red cuando la demanda es mayor a la energa generada por el arreglo fotovoltaico. Este tipo de sistemas puede intercambiar energa elctrica con la red cuando la generacin excede las necesidades de energa del usuario y tomar energa de la red cuando la demanda es mayor a la energa generada por el arreglo fotovoltaico. La figura muestra el esquema de un sistema FV conectado a la red

Esquema de un sistema FV conectado a la red

desarrollo de la generacion distribuida con sistemas fotovoltaicos conectados a la red

4.3. Normativa de grandes centrales FV en el PerPoltica Energtica Del MEM. (Valer, 2011)Diversificar la Matriz Energtica, en especial promoviendo el uso de fuentes de energas renovables MARCO LEGAL Promocin de inversiones en generacin elctrica con energas renovables Ley de promocin de la inversin para la generacin de electricidad con el uso de energas renovables, Decreto Legislativo 1002 (mayo 2008). Reglamento de la generacin de electricidad con energas renovables, Decreto Supremo 050-2008-EM (Octubre 2008).

5. CAPITULO V: Costes de la Energa

5.1. Diferencias econmico-financieras entre las centrales de generacin de corriente elctrica. (Aguilar, 1012)El monto de inversin promedio requerido por MW es de alrededor de US$ 4 millones para una planta nuclear, de US$ 1.5 a 2 millones para una hidroelctrica y de algo ms de medio milln de dlares en una central trmica.

Para un sistema solar el costo estimado es de 3 a 4 millones por MW. En la siguiente tabla se puede ver una estimacin de los costos por KW para un proyecto llave en mano.

turn-key para grandes sistemas fotovoltaicos (2008 /kW) y reduccinanual esperada (%)

Dado que la radiacin del sol no es constante durante las 24 h al da se considera un factor de capacidad para estimar la produccin real de energa de un sistema.

Estimativa de la energa que puede producir un sfcr

Costo estimado de la energa solar elctrica en funcin del factor de capacidad.

BibliografaAguilar, A. M. (1012). Proyectos de generacin elctrica en el Per. Obtenido de ediciones ESAN: http://www.esan.edu.pe/publicaciones/2012/11/15/proyecto_generacion_electrica.pdf educa, e. (2013). endesa educa. Obtenido de http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de-electricidad/xii.-las-centrales-solares.moreno, m. R. (06 de 2011). http://www.csi-csif.es/andalucia/modules/mod_ense/revista/pdf/Numero_43/MIGUEL_RUZ_MORENO_02.pdf. Obtenido de revista digital innovacion y experiencias.Valer, R. (05 de 2011). slideshare. Obtenido de http://www.slideshare.net/robvaler/las-aplicaciones-fotovoltaicas-conectadas-a-la-red-en-el-per

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