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Energías Renovables
Tema 3
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICAENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
TEMA 3. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
•El Efecto Fotovoltaico•Paneles fotovoltaicos• El acumulador fotovoltaico• El regulador de carga• Configuraciones de diseñoConfiguraciones de diseño• Dimensionado
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Efecto fotovoltaico
Efecto fotovoltaico
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Efecto fotovoltaico
Estructura cristalina del silicioE=hn
SiSi
Si
Si Si
Si
Si Si
Si
Si Si
Si
SiSiSi
Si
Si Si
Si
Si Si
Si
Si Si
Si
SiSiSi
Si
Si Si
Si
Si Si
Si
Si Si
Si
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Si
Si Si
Si
Si Si
Si
Si Si
Si
SiSiSi
Si
Si Si
Si
Si Si
Si
Si Si
Si
Si
Banda de Conducción
Salto de EnergíaSS S S SSS S S SSS S S SSS S S SSS S S S
Banda de Valencia
g
Efecto fotovoltaico
Si P Si Si
Banda de Conducción
Semiconductor tipo n
Si Si Si SiB
SiSi
Si Si
Si Si
Si Si
SiP Banda de Valencia
Semiconductor tipo p
SiSi
Si
Si Si
B
Si Si
Si
Si Si
Si
Si
B
Banda de Conducción
Banda de Valencia
p p
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Efecto fotovoltaico
Si Si Si SiB Si P Si Si
SiSi
Si B
Si Si
Si Si
Si SiSi
Si Si
Si Si
Si Si
SiP
SiSi
Si
BSi
Si Si Si
Si SiSi
Si Si
Si Si
Si Si
Si
P
BB
B
P
P
P
P
Efecto fotovoltaico
Si Si Si SiB Si P Si Si
SiSi
Si B
Si Si
Si Si
Si SiSi
Si Si
Si Si
Si Si
SiP
SiSi
Si
BSi
Si Si Si
Si SiSi
Si Si
Si Si
Si Si
Si
P
BB
B
P
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P
Redistribución de cargas en la red cristalina
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Efecto fotovoltaico
Si Si Si SiB Si P Si Si
SiSi
Si B
Si Si
Si Si
Si SiSi
Si Si
Si Si
Si Si
SiP
SiSi
Si
BSi
Si Si Si
Si SiSi
Si Si
Si Si
Si Si
Si
P
BB
B
P
P
P
P
Exceso de carga negativa
Exceso de carga positiva
Efecto fotovoltaico
Si Si Si SiB Si P Si Si
SiSi
Si B
Si Si
Si Si
Si SiSi
Si Si
Si Si
Si Si
SiP
SiSi
Si
BSi
Si Si Si
Si SiSi
Si Si
Si Si
Si Si
Si
P
BB
B
P
P
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P
Aparece un campo eléctrico.
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Efecto fotovoltaico
SiSi
Si
Si Si
B
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Si
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Si
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SiPSi Si Si Si Si Si Si Si
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SiSi BSi Si SiSi Si Si SiP
Efecto fotovoltaico
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Efecto fotovoltaico
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Si
Si Si
B
Si Si
Si
Si Si
Si
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Si P
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Si Si
Si
Si Si
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SiPSi Si Si Si Si Si Si Si
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SiSi BSi Si SiSi Si Si SiP
Efecto fotovoltaico
SiSi
Si
Si Si
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SiPSi Si Si Si Si Si Si Si
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Efecto fotovoltaico
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Si
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P
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Efecto fotovoltaico
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Efecto fotovoltaico: fabricación de células
Efecto fotovoltaico: fabricación de células
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Efecto fotovoltaico: fabricación de células
Efecto fotovoltaico: fabricación de células
Tecnologías de células fotovoltaicas
Células de silicio monocristalinas:
• Pureza>99.999%
• Eficiencia: 14~17%
Células de silicio multicristalinas
• Eficiencia: 1% inferior al mono
Células de capa delgada multiunión
•Si-amorfo- multiunión (Eficiencia: 6~8%)
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Efecto fotovoltaico: fabricación de células
Efecto fotovoltaico
Irradiancia =1000 W/m2
AM = 1,5Tª = 25ºC
Potencia
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Pote
ncia
(W)
Curva Célula
00.5
11.5
22.5
33.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Inte
nsid
ad (A
)
Voltaje (V)Tensión (V)
Parámetros característicos:Tensión de circuito abierto VOCCorriente de cortocircuito ISCPotencia máxima Pmax OCsc VI
PFF⋅
= máx
Factor de forma FF
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Efecto fotovoltaico
Efectos de la irradiación y la temperatura
Curva Célula Curva Célula
00.5
11.5
22.5
33.5
4
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Tensión (V)
Inte
nsid
ad (A
)
Curva Célula
-3-2-101234
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Tensión (V)
Inte
nsid
ad (A
)
25 ºC 30 ºC 35 ºC
Efecto fotovoltaico
Efectos de la irradiación y la temperatura
+− iRVv oc
−= qmkT
sc
oc
eii /1
( )NlN TTGii −+
= α( )NcelN
scNsc TTG
ii +
α
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Efecto fotovoltaico: fabricación de células
Efecto fotovoltaico: constitución de paneles
Conexión en serie:Co e ó e se e:Determinación de laaCurva I-V
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Efecto fotovoltaico: constitución de paneles
Conexión en paralelo de seriespDeterminación de laCurva I-V
Paneles fotovoltaicos
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Paneles fotovoltaicos
Efecto fotovoltaico
Características eléctricas del panelL t i d t b j d l ód l f t lt i táLas tensiones de trabajo de los módulos fotovoltaicos están relacionadas con las tensiones de las baterías, razón por la cual son múltiplos de 12. El número de células del módulo variará en función del tipo y tensión de cada una. Los módulos pueden tener un total de células que oscila entre 28 y 40, siendo lo más común que contengan 36.
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Efecto fotovoltaico
Conexión de paneles en serie
Conexión de paneles en paralelo
Efecto fotovoltaico
Problema 1
Si cuatro módulos deVOC= 16 VISC =3APmax= 40 Westán conectados como semuestra, qué parámetros seránlos del conjunto.
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Efecto fotovoltaico
Problema 2
Si ocho módulos deVOC= 16 VISC =3APmax= 40 Westán conectados como semuestra, qué parámetros seránlos del conjunto.
Efecto fotovoltaico
Concepto de rendimiento de un módulo fotovoltaico
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Paneles fotovoltaicos
Paneles fotovoltaicos
Las pruebas de calidad han de superar:- 200 cambios cíclicos de temperatura de -40 ºC a 85 ºC.
10 b d h d d/ l ió d d 85 ºC d h d d l ti 40 ºC- 10 pruebas de humedad/congelación pasando de 85 ºC de humedad relativa a -40 ºC.- Pruebas de impacto de granizo.- Exposición a rayos ultravioleta.- Exposición a la intemperie.- Calor húmedo.- Resistencia mecánica (comportamiento frente a vientos superiores a 225 km/h).- Resistencia a sombras parciales.- Prueba de aislamiento eléctrico o galvánico: la resistencia entre el módulo y tierra hag yde ser infinita.
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Paneles fotovoltaicos
Paneles fotovoltaicos
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Paneles fotovoltaicos
Paneles fotovoltaicos
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Paneles fotovoltaicos
Paneles fotovoltaicos
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TEMA 3. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
•El Efecto Fotovoltaico•Paneles fotovoltaicos• El acumulador fotovoltaico• El regulador de carga• Configuraciones de diseñoConfiguraciones de diseño• Dimensionado
Acumulador electrolítico
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Acumulador electrolítico
Pb PbO2
Cátodo Ánodo
IDisolución H2SO4 al 20%
Acumulador electrolítico. Descarga
Pb PbO2
Cátodo Ánodo
PbO2 + SO4 + 4H+ +2e- =Pb + SO4 =
IDisolución H2SO4 al 20%
2 4PbSO4+ 2H20PbSO4+ 2e-
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Acumulador electrolítico. Descarga
Cátodo Ánodo
Pb PbO2
Disolución H2SO4 al 20%
PbO2 + SO4 + 4H+ +2e- =PbSO4+ 2H20
Pb + SO4 =PbSO4+ 2e-
Tensión ~ 2V V = ρe + 0,84
ρe ~ 1,20 a 1,28 g/cm3 V ~ 2,04 a 2,12 V
Acumulador electrolítico.
Pb A id (90% d i l i )
TIPOS MAS FRECUENTES DE ACUMULADORES PV
Pb-AcidoMás económicasrendimiento ~ 70%
Pb - Acido (90% de instalaciones)Ni- CdNi-Fe
Ni-CdMenos económicasrendimiento ~ 90%
Mayor mantenimientoNo aptas para condiciones
extremasP.descarga ~ 50%
Poco mantenimientoAptas para condiciones extremasP.descarga ~ 90%
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Acumulador electrolítico.
Capacidad de acumulación en Amperios hora:M did i di t d l id d d l ió l ú d
Acumulador electrolítico.
CN (J) = nAh •V(V) • 3600
Medida indirecta de la capacidad de acumulación es el número de Amperios que suministrados por la batería, de un modo continuo, durante una hora, daría lugar a la descarga total de la batería.
La batería no deberá descargarse totalmente
Cútil (J) = PD • nAh •V(V) • 3600
Cútil (J) = PD • CN
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Acumulador electrolítico.
Acumulador electrolítico.
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Acumulador electrolítico.
Acumulador electrolítico.
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Acumulador electrolítico.
Acumulador electrolítico.
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Acumulador electrolítico.
Acumulador electrolítico.
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Acumulador electrolítico.
2 V
Acumulador electrolítico.
100 Ah
2 V2 V 2 V 2 V2 V100 Ah 100 Ah 100 Ah
400 Ah
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Acumulador electrolítico.
8 V
100 Ah
2 V
100 Ah 100 Ah 100 Ah 100 Ah
2 V 2 V 2 V
Acumulador electrolítico.
2 V2 V100 Ah 100 Ah
8 V
100 Ah
100 Ah2 V 2 V
100 Ah
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Acumulador electrolítico.
2 V2 V100 Ah 100 Ah
4 V
200 Ah
100 Ah2 V 2 V
100 Ah
Acumulador electrolítico.
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Acumulador electrolítico.
TEMA 3. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
•El Efecto Fotovoltaico•Paneles fotovoltaicos• El acumulador fotovoltaico• El regulador de carga• Configuraciones de diseñoConfiguraciones de diseño• Dimensionado
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El regulador de carga
El regulador de carga
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El regulador de carga
El regulador de carga
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El regulador de carga
Consumo
2,2 2,5 Voltajeen batería
ON
El regulador de carga
Consumo
2,2 2,5 Voltajeen batería
ON
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El regulador de carga
Consumo
2,2 2,5 Voltajeen batería
OFF
El regulador de carga
Consumo
2,2 2,5 Voltajeen batería
OFF
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El regulador de carga
Consumo
1,9 2,2
ON
Voltajeen batería
El regulador de carga
Consumo
1,9 2,2
OFF
Voltajeen batería
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El Inversor
El Inversor
Inversor de onda cuadrada
Más baratos del mercadoMenos eficientes, ya que en las conmutaciones se generan interferencias (ruidos). No son aptos para motores de inducción, aunque se pueden emplear
t l i d dpara un televisor o un ordenador.La potencia de estos inversores no sobrepasa los 500 watt.
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El Inversor
Inversor de onda senoidal modificada
Aceptable relación calidad precioLa potencia de estos inversores oscila entre los 500 y los 2500 W.
El Inversor
Inversor de onda senoidal modificada
Aceptable relación calidad precioLa potencia de estos inversores oscila entre los 500 y los 2500 W.
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SM-250 SM-700 SM-1500 SM-2000 SM-3000Tensión nominal 12/24Vdc 12/24Vdc 12/24Vdc 12/24Vdc 24Vdc
Rango de tensión de entrada según pedido según pedido según pedido según pedido según pedido
El Inversor
Frecuencia 50Hz 50Hz 50Hz 50Hz 50HzRegulación de frecuencia 0,1% 0,5% 0,5% 0,5% 0,5%Potencia (30 minutos) * 400W 1000W 2000W 2500W 3300WPotencia (continua) * 250W 700W 1500W 2000W 2800WTensión de salida (RMS) 230Vac 230Vac 230Vac 230Vac 230VacRegulación de tensión 5% 5% 5% 5% 5%Potencia pico (resistiva) * 1000W 1500W 2500W 3000W 4000WPotencia pico (motores) * 1/6 C.V. 1/4 C.V. 1/3 C.V. 1/2 C.V. 3/4 C.V.Rendimiento a la potencia
i l 83% 8 % 90% 91 3% 93%nominal 83% 87% 90% 91,3% 93%Rendimiento máximo 88% 92% 95,6% 96,6% 97%Consumo en vacio 60mA 70mA 80mA 100mA 100mADimensiones (mm) 250/220/80 240/220/150 405/280/215 405/280/215 405/280/215Peso (kg) 4,5 7,8 20 25 24
24 Vcc a 230 Vac, senoidal 50 Hz, 3 fases, 1 kW (6 kW pico), rotativo (3.000 R.P.M.), autorrefrigerado. Rendimiento > 85% a la potencia nominal Excitación
El Inversor
> 85% a la potencia nominal. Excitación serie/paralelo. Ideal para instalaciones donde la fiabilidad sea más importante que el rendimiento
24 Vcc a 230 Vac senoidal 50 Hz, 3 fases, 3 kW (15 kW pico), rotativo (3.000 R.P.M.). Rendimiento > 90% a la potencia nominal. Excitación serie/paralelo. Ideal para instalaciones donde la fiabilidad sea más importante que el rendimiento
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El balasto electrónico
BALASTO ELECTRÓNICO DE CORRIENTE CONTINUA (FLUORESCENTE-8W)
Características técnicas:
- Tensión nominal: 12 V - Potencia nominal: 8 W - Rango de operación garantizado: desde 10.5 V hasta 15.0 V - Tensíon máxima: 16 V - Consumo: 0.68 A @ 12 V - Tipo de luminaria: tubo fluorescente de cátodo caliente 8 W - Más de 1.000.000 de encendidos - Circuito autooscilante simétrico compensado
- Condiciones ambientales: 0º < temperatura < 50º, H.R. < 90% (sin condensación)
TEMA 3. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
•El Efecto Fotovoltaico•Paneles fotovoltaicos• El acumulador fotovoltaico• El regulador de carga• Configuraciones de diseñoConfiguraciones de diseño• Dimensionado
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Campo de paneles
Configuraciones de diseño
REGULADOR
BATERIAS
DISTRIBUCION EN CONTINUA
INVERSOR DISTR. EN ALTERNA
Campo de paneles
Configuraciones de diseño
REGULADOR
BATERIAS DISTRIBUCION EN CONTINUA
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Campo de paneles
Configuraciones de diseño
INVERSOR
REGULADOR BATERIAS DISTR. EN ALTERNA
INVERSOR
Campo de paneles
Configuraciones de diseño
REGULADOR BATERIAS INVERSOR
DISTR. EN ALTERNACONMUTADOR
GENERADORAC
CARGADORDE BATERIAS
EVENTUALES EN ALTERNA
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Campo de paneles
Configuraciones de diseño
REGULADOR BATERIAS INVERSOR
DISTR. EN ALTERNACONMUTADOR
RED ELECTRICA
Precios de los elementos
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Precios de los elementos
Precios de los elementos
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Precios de los elementos
TEMA 3. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
•El Efecto Fotovoltaico•Paneles fotovoltaicos• El acumulador fotovoltaico• El regulador de carga• Configuraciones de diseñoConfiguraciones de diseño• Dimensionado
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Dimensionado: Determinación de los consumos
Potencias típicas de las aplicaciones más frecuentes
CORRIENTE CONTINUACORRIENTE CONTINUAVentilador de techo .................................. 25 WRefrigerador ............................................. 60 WTelevisión 9“ color ................................... 60 WLuminarias fluorescentes ..................... 8 ~ 40 WReproductor de cassetes ......................... 35 W
Dimensionado: Determinación de los consumos
Potencias típicas de las aplicaciones más frecuentes
CORRIENTE ALTERNACORRIENTE ALTERNALuminarias fluorescentes ....................... 8 ~ 40 WLuminarias incandescentes ................ 40 ~ 100 WTV 19” color .............................................. 175 WReproductor estéreo ........................... 40 ~ 100 WHorno microondas ............................. 450~750 WFrigorífico (120 L) 350 WFrigorífico (120 L) ..................................... 350 WSistema Cooling ......................................... 240 WCalefactor ................................................... 130 W
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Dimensionado: Determinación de los consumos
Consumos en corriente continua:
C P i (W) h d E í (Wh)Concepto Potencia(W) horas de uso Energía (Wh) Luces 40 3 120TV 35 3 105Ventilador 20 4 80
TOTAL NECESARIO 305POSIBLES PÉRDIDAS (30% DEL NECESARIO) 92POSIBLES PÉRDIDAS (30% DEL NECESARIO) 92
TOTAL REQUERIDA EN CONTINUA 397
Dimensionado: Determinación de los consumos
Consumos en corriente alterna:
C P i (W) h d E í (Wh)Concepto Potencia(W) horas de uso Energía (Wh) Herramientas 240 .25 60Ordenador 200 3.5 700Ap. Estéreo 20 2 40
TOTAL NECESARIO 800POSIBLES PÉRDIDAS (40% DEL NECESARIO) 320POSIBLES PÉRDIDAS (40% DEL NECESARIO) 320
TOTAL REQUERIDA EN ALTERNA 1120
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Dimensionado: Determinación de los consumos
TOTAL REQUERIDA EN CONTINUA 397 Wh
TOTAL REQUERIDA EN ALTERNA 1120 Wh
TOTAL REQUERIDA 1517 Wh =1,52 kWh
Dimensionado: Determinación de los consumos
La memoria de diseño debe incluir las cargas de consumo previstas, indicando tipo de carga, potencia nominal, tensión y tiempo de utilización.
Tras calcular las cargas se debe tener en cuenta la existencia de unos límites inferiores que no convendrá sobre pasar.
Dependencias Potencia mínima necesaria
Cuarto de estar ..................................................... 18 W
Comedor ............................................................... 18 W
Dormitorio ............................................................ 8 W
Aseos .................................................................... 18 W
Cocina ................................................................... 18 W
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Dimensionado: Determinación de los consumos
Dependencias Tiempo mínimo de uso
Cuarto de estar -comedor 4 5 h/díaCuarto de estar comedor...................................... 4,5 h/día
Dormitorio ............................................................ 0,5 h/día
Aseos .................................................................... 1h/día
Cocina ................................................................... 2 h/día
TV ............................................................... 3 h/día
Dimensionado: Métodos
Intuitivos
Analíticos
Numéricos
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Dimensionado: Determinación de los consumos
Simulación diaria del balance energético
Déficit
Demanda
Oferta
∑∑=
id ddéficits
LLP
Definición : Probabilidad de Pérdida deCarga (LLP):
Superavit
Batería
Cap. útil
∑ snecesidade
Aplicaciones LLP
Doméstica 0.1Iluminación 0.01Telecomunicaciones 0.0001
Dimensionado
LLP 1
LLP=.05
LLP=.01
Superficie colectora
LLP=.1
Coste = Precioarea*area + Precioacumulación * Capacidad
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Dimensionado
LLP 1
LLP=.05
LLP=.01
Superficie colectora
LLP=.1
BOMBEO FOTOVOLTAICO
Subsistema de Subsistema de acumulaciónacumulación
≈≈ Subsistema de Subsistema de captacióncaptación
Subsistema Subsistema motormotor--bombabomba
Subsistema Subsistema acondicionador acondicionador
de potenciade potencia
Subsistema de Subsistema de conducciónconducción
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BOMBEO DE AGUA
BOMBEO DE AGUA
1.1.1 Se estimará la energía eléctrica consumida por la motobomba como:
MB
TE3
d
MB
HMB
)m(xH)día/m(xQ725.2)día/Wh(E)día/Wh(Eη
=η
=
. Por defecto, puede utilizarse un rendimiento típico ηMB=0,4 para bombas superiores a 500 W.
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BOMBEO DE AGUA
PR: rendimiento energético de la instalación o “performance ratio”, definido como la eficiencia de la instalación en condiciones reales de trabajo para el período de diseño, de acuerdo con la ecuación:
BOMBEO DE AGUA
de acuerdo con la ecuación:
GCEM=1 kW/m2
mpdm
D
·P ), (G·Eβα
CEMGPR =
Pmp: potencia pico del generador (kWp)ED expresado en kWh/día.
Este factor considera las pérdidas en la eficiencia energética debido por diferentes conceptos ( temperatura, cableado, dispersión de parámetros, suciedad,r errores en el seguimiento del punto de máxima potencia, eficiencia energética de regulador, batería,. inversor en operación....)
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BOMBEO DE AGUA
Típicamente, en sistemas con inversor PR0,7 y con inversor+batería PR0,6. A
≈≈
p yefectos de cálculo y por simplicidad, se utilizarán en sistemas con inversor PR=0,7 y con inversor+batería PR=0,6
EE·GEP DDCEMDmp
11=
==
TSPPRG
(αα ,β) GPRR(αα ,β) ·GCEM
dmdmmp
BOMBEO DE AGUA
Adecuación a catálogo
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Aberraciones
Aberraciones
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Aberraciones
Energías Renovables
Tema 3
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICAENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
