Resumen al Curso de Energía Solar Fotovoltaica
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RESUMEN DEL CURSO ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Instructores: Orlando Hernández Hans Hermann Peifer Fecha: 03-Octubre-2009
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RESUMEN DEL CURSO
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
Instructores: Orlando Hernández
Hans Hermann Peifer
Fecha: 03-Octubre-2009
Temario
• Formas de Aprovechar la Energía Solar
• Componentes de un Sistema Fotovoltaico
• Módulos Fotovoltaicos
• Conexión de Módulos Fotovoltaicos
• Controlador de Sobrecarga
• Conexión del Controlador de Sobrecarga
• Baterías
• Inversores
• Selección de Cables
• Rastreadores
• Energía Eólica
• Ejercicios
La Energía Solar
Existen 2 Formas de aprovechar la Energía Solar:
1) Energía Solar Fotovoltaica (la que genera
electricidad por medio de Módulos
Fotovoltaicos).
2) Energía Solar Térmica (la que calienta agua u
otros fluidos directamente aprovechando los
rayos del sol).
Horas de Insolación
Horas del día promedio donde se puede aprovechar los rayos del sol.
Horas Solares Pico
De acuerdo al mapa anterior en México se disponen de 5 horas en promedio donde se
aprovecha al máximo la energía solar.
Inso
lació
n (
Wa
tts/m
²
Horas del día
7:00 10:30 15:30 19:0012:00 14:00
1.5 hrs 1.5 hrs2 hrs
ZONA
MPPT
MPPT= Máximo Punto de Potencia
Componentes del Sistema
Para que la energía eléctrica generada por un Módulo Fotovoltaico pueda ser
aprovechada se presentan 3 opciones:
Sistema 1: Dos Componentes.
Módulo Fotovoltaico
(Panel Solar)
Consumidor
pequeño
Este sistema solo funciona mientras el panel este expuesto al sol, se pueden
energizar consumidores de pequeña escala.
Componentes del Sistema
Sistema 2: Cuatro Componentes (sistema isla).
Módulo Fotovoltaico
(Panel Solar)
Consumidor (12 VDC)
Controlador Batería
Este Sistema requiere además
del Módulo Fotovoltaico una
batería y un controlador de
sobrecarga, el Voltaje que
entrega el panel solar se utiliza
para recargar la batería.
El Voltaje que entrega
el Controlador es de
14.4 Volts
Componentes del Sistema
Sistema 3: Cinco Componentes (sistema isla).
Módulo Fotovoltaico
(Panel Solar)
Consumidor (127 VCA)
Controlador Baterías
Inversor
El inversor transforma
la energía almacenada
en las baterías (12
VDC) en Corriente
Alterna (127 VCA).
Módulos Fotovoltaicos
También llamados Paneles Solares, convierten los rayos de sol en energía eléctrica, los
hay de 12 y 24 volts aunque existen muchos otros.
Clasificación por Material:
Amorfos. Primer Tecnología de panel
solar, su tiempo de vida es más corto,
tienen una eficiencia muy pobre del 8%.
Mono Cristalinos. Basados en secciones
de una barra de silicio perfectamente
cristalizado en una sola pieza, su
eficiencia alcanza el 16%.
Poli Cristalinos. Similar al mono cristalino a
diferencia que las barras de silicio se
estructuran desordenadamente en forma
de pequeños cristales, su rendimiento es
del 14% aproximadamente.
Módulos Fotovoltaicos
Cada celda del Módulo entrega 0.4 a 0.5 Volts aproximadamente.
Para un Módulo de 12 Volts (real 18.4 Volts).
36 Celdas x 0.5 Volts = 18 Volts
Celda
Solar
9 Filas
4 Columnas
Tiempo de Vida estimado: 25 años (Módulo Mono cristalino)
Módulos Fotovoltaicos
Fabricación: Los Módulos Fotovoltaicos son fabricados en una planta maquiladora
ubicada en Tijuana México de la marca Kyocera posteriormente son enviados a E.U. y
finalmente importados a México.
• Todos los Módulos son fabricados
con vidrio templado de alta
resistencia para exteriores.
• Fabricados con silicio pulverizado
cristalizado.
Módulos Fotovoltaicos
Características Eléctricas:
Potencia Pico (PP). Valor máximo de la Potencia (VxI).
Voltaje Pico (VP). Valor máximo del Voltaje cuando alcanza su máxima Potencia.
Corriente Pico (IP). Valor máximo de la Corriente cuando alcanza su máxima Potencia.
Voltaje en Circuito abierto (VOC). Voltaje máximo a Corriente nula y Potencia nula.
Corriente en Corto Circuito ((ISC). Corriente máxima a Voltaje nulo y Potencia nula.
Consideraciones
• Las Celdas Solares tienen su máxima eficiencia cuando la temperatura se encuentra
entre 23 y 25 °C.
• En Ciudades donde la temperatura es muy alta (Norte del País, ejemplo: Monterrey,
Torreón, Chihuahua) las Celdas Solares pierden eficiencia.
• Los Módulos Fotovoltaicos tienen que estar orientados hacia el sur (en México) y con un
ángulo de inclinación de 20 a 30° en dirección al sol. En el Norte del País el ángulo de
inclinación debe estar aproximadamente de 45°.
30°
Módulo
Fotovoltaico
25°C
Por cada °C arriba de 25°C la eficiencia del Módulo
disminuye un 0.5%.
Conexión de Módulos
Fotovoltaicos
• Conexión en Paralelo:
Módulos de 50 W c/u
VP = 18 V
IP = 3 A
PP = 54 W
VPT= 18 V
IPT = 12 A
PPT = 216 W
+
-
• Conexión en Serie:
+
-
Módulos de 50 W c/u
VP = 18 V
IP = 3 A
PP = 54 W
VPT= 72 V
IPT = 3 A
PPT = 216 W
Controlador de Sobrecarga
• El controlador de sobrecarga es un componente del sistema que se requiere para poder
recargar una batería con el voltaje que entrega un Módulo Fotovoltaico.
• Los Módulos proporcionan un voltaje de 18 volts o más pero una batería de 12 Volts no
se debe cargar a más de 14.4 Volts porque se daña, por esta razón se necesita un
Controlador de Sobrecarga.
Batería Recargable
(12 VDC)
Controlador de
Sobrecarga
Módulo
Fotovoltaico
18 VDC 14.4 VDC
Controlador de Sobrecarga
• El controlador monitorea el voltaje de la batería tiene un voltaje máximo de carga
preestablecido cuando llega a 14.7 volts.
• El controlador censa y desconecta el Módulo Fotovoltaico cuando llega la batería a su
máxima carga.
• Cuando el voltaje de la batería disminuye (13.5 V para conexión de recarga) el
controlador vuelve a cerrar el circuito hacia el Módulo Fotovoltaico, este proceso se
repite varias veces durante días soleados.
• Durante las noches el Controlador detecta que no hay generación desde el Módulo
Fotovoltaico y abre la conexión de la batería eliminando el posible regreso de energía.
Día
Noche
ControladorMódulo
Fotovoltaico
Conexión
Controlador de Sobrecarga
+ + +- - -Módulo Batería Carga
CONTROLADOR
Batería
+ -
Módulo
Fotovoltaico
Lado Posterior
- +
Lámpara
Conexión
Controlador de Sobrecarga
Controlador
12 V / 20 A
Controlador
24 V / 10 A
Módulos
Fotovoltaicos
PP=130 W
VP=12 V
IP=7 A
Conexión
Paralelo
Conexión
Serie
Baterías
Las baterías a utilizar en un sistema de Energía Solar Fotovoltaica deben ser de
ciclo profundo y no de arranque (como las que utilizan los autos).
Clasificación por material.
• Baterías de Gel
• Baterías de Acido-Plomo.
Baterías
Baterías de Arranque: Diseñadas para entregar una gran cantidad de corriente por un
período corto de tiempo.
Se caracterizan por una taza denominada CCA (Cold Cranking Amps “Capacidad de
Arranque en Frío”) que muestra la capacidad de entrega de corriente en segundos a una
temperatura de 0°F (-17°C) y a no menos de 7.2 Volts.
Ejemplo: 675 CCA
Capacidad 675 Amperes
en 30 segundos a 0°F (-17°C)
Baterías
Baterías de Descarga Profunda o Ciclo Profundo. Estas baterías pueden operar durante
varias horas ya que su tiempo de descarga es muy lenta.
Diseñadas para que puedan ser cargadas y descargadas frecuentemente.
La vida de la batería es proporcional a la profundidad de sus descargas recurrentes.
Descarga de la Batería
La energía almacenada en una batería se mide en Volts y su tiempo de duración en
Amperes x Hora. En general las Baterías que se utilizan en sistemas Fotovoltaicos son de
12 VDC.
Ejemplo:
Batería 12 V / 100 Ah
Para una carga que consume 10 Amperes
Tiempo de Duración = 10 Horas
Para una carga que consume 20 Amperes
Tiempo de Duración = 5 Horas
Descarga al 100 %
Las baterías no deben descargarse al 100 % ya
que se reduce su tiempo de vida, se recomienda
una descarga del 35 %.
Para una carga que consume 10 Amperes
Tiempo de Duración = 3.5 Horas
Para una carga que consume 20 Amperes
Tiempo de Duración = 1.75 Horas
Descarga al 35 %
35% (100 Ah) = 35 Ah
Recarga de la Batería
Las baterías de ciclo profundo deben de cargarse a un voltaje constante de 14.4 Volts y a
una corriente que no exceda ¼ de su capacidad nominal.
Ejemplo: Batería de 12 V/100 Ah
Voltaje de Carga = 14.4 Volts
Corriente de carga = 25 A
Tiempo de carga Lenta = 8 a 12 hrs.
Tiempo de carga Rápida = 1 a 2 hrs.
Gráficas que muestran
el proceso de recarga de
una batería.
Consideraciones
• Al tiempo de descarga de una batería también se le llama Profundidad de Descarga.
• La temperatura de operación de la batería debe estar debajo de 25°C ya que si la
temperatura aumenta la eficiencia de la batería disminuye: por cada 10 °C arriba de
25°C la eficiencia se reduce hasta en un 50%.
• Colocar la batería en un lugar protegido de la intemperie, con buena ventilación para
evitar la acumulación de gases, de preferencia sobre una tarima de madera (nunca
colocarla directamente sobre el piso).
• El cable que conecta la batería con el controlador de sobrecarga deberá ser lo más
corto posible para evitar perdidas.
La longitud de los
cables debe ser lo
más corta posibleControlador
Batería
Piso
Inversores
• El inversor es un componente del Sistema que convierte la Corriente Directa de 12
Volts que entrega la batería en 127 Volts de Corriente Alterna.
• El Inversor de Voltaje se utiliza en aquellos Sistemas Fotovoltaicos donde se requiere
conectar aparatos electrodomésticos que necesitan de la corriente que suministra la
CFE.
Clasificación:
Onda Senoidal Pura.
Onda Senoidal Modificada.
Onda Cuadrada.
Inversores
• Onda Senoidal Pura. Provee Corriente
Alterna (CA) de alta calidad equivalente
a la de la red domestica. Este tipo de
inversores hará que los
electrodomésticos extiendan su vida
útil y mejoren su rendimiento de carga,
se generan muy pocos armónicos.
• Onda Senoidal Modificada: La salida
de estos inversores se acerca a la onda
senoidal pura, el ancho de la onda es
modificada por PWM, su cantidad de
armónicos es mas elevado.
• Onda Cuadrada. Son mas baratos
pero menos eficientes, producen
armónicos que generan interferencias
(ruidos). Se utilizan para alimentar
aparatos pequeños.
Selección de Cables
El calibre del cable a utilizar en el Sistema Fotovoltaico dependerá de la cantidad de
corriente que demande nuestra carga y de la Potencia Máxima del Módulo Fotovoltaico.
Módulo
Fotovoltaico (W)
AWG
(Calibre)
Diámetro
(mm)
Área
(mm2)
Corriente
(A)
Resistencia
(mΩ/m)
120 - 140 11 2.305 4.172 8.345 4
110 12 2.053 3.309 6.618 6
80 13 1.828 2.624 5.248 7
60 - 70 14 1.628 2.081 4.162 9
50 15 1.450 1.650 3.301 11
40 16 1.291 1.309 2.618 14
30 17 1.150 1.038 2.076 18
20 18 1.024 0.823 1.646 23
10 19 0.912 0.653 1.306 29
20 0.812 0.518 1.035 36
21 0.723 0.410 0.821 46
22 0.644 0.326 0.651 57
Rastreadores (Trackers)
Un Rastreador es un componente adicional que se puede instalar en cualquier Sistema
Fotovoltaico cuya función es seguir la posición del sol durante el día.
Características:
• Son componentes autónomos.
• Se maximiza el aprovechamiento
de radiación solar en el Módulo
Fotovoltaico.
• Requieren de un mantenimiento
constante.
• Su costo inicial es alto, que
sumado al costo total del sistema
fotovoltaico lo hace poco rentable.
Energía Eólica
Otra manera de generar energía eléctrica es utilizando la fuerza del viento, para esto se
utilizan turbinas eólicas.
• La velocidad del viento necesario
para mover las paletas debe ser de
20 Km/hr (12 m/seg) y debe ser
constante.
Turbina de Viento para 200 W 12/24 Volts.
Ejercicio
Ejercicio 1: Consumidor
Potencia de
ConsumoHoras de Uso Consumo Total
1 Televisión 50 Watts 4 hrs 200 Wh
5 Focos 15 Watts x 5 3 hrs 225 Wh
1 Radio 20 Watts 6 hrs 120 Wh
1 Laptop 60 Watts 3 hrs 180 Wh
TOTAL 725 WhPaso 1: Seleccionar el Módulo Fotovoltaico.
Se divide el Consumo Total entre la cantidad de horas en las que el Módulo está expuesto al
sol al 100 % (5 h).
(725 W/h) / (5 h) = 145 W
Considerando los factores de perdida del Módulo la cantidad de horas se reduce a 4.25 h.
(725 W/h) / (4.25 h) = 170.5 W1 Módulo de 175 W
ó
2 Módulos de 100 W
Ejercicio
Paso 2: Seleccionar un Controlador de Sobrecarga.
Arreglo Paralelo de 2 Módulos Fotovoltaicos de 100 W
1 Módulo
Fotovoltaico
PP=100 W
VP=18 V
IP= 5.5 A
Conexión
Paralelo
Controlador
VP=12 V
IP= 15 A2 Módulos
Fotovoltaicos
PP=200 W
VP=18 V
IP= 11 A
Para evitar un daño al controlador
sumar un 30 % arriba del valor de la
corriente: ( 11 A) ( 30%) = 3.3 A
Corriente Total = 14.3 A.
Ejercicio
Paso 3: Seleccionar las baterías.
La batería se calcula considerando el consumo total y el 30 % de descarga de la siguiente
manera.
Consumo Total = 725 W/h
Calcular la corriente necesaria: I = P/V I = (725 W/h) / 12 V = 60.4 Ah
60.4 Ah = 30% de descarga de la batería
100(60.4)/30 = 201 Ah = 100 % de descarga de la batería
Se necesitarían 2 Baterías de 100 Ah a 12 Volts.
