En el presente trabajo de tesis se realiza una evaluación técnica del diseño de SFVA para electrificación rural de los tipos 1, 2 y 3 realizado en lugares que se encuentran en tres pueblos del territorio peruano no conectados a las redes eléctricas. No se realiza la evaluación económica de los sistemas aludidos.
CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes
(García, 2015), en su Trabajo de Fin de Grado “Simulación de instalaciones fotovoltaicas con PVsyst” en la Universidad de Jaén de España, analiza el proceso de diseño de sistemas fotovoltaicos con el software PVsyst mediante la resolución de una serie de instalaciones muy comunes, a la vez que variadas, con explicaciones detalladas de cada paso del proceso y analiza los resultados obtenidos.
(Irwan, y otros, 2015), en la “Conferencia internacional de 2015 sobre energía alternativa en países en desarrollo y economías emergentes” presentó el trabajo de investigación titulado “Evaluación del sistema fotovoltaico autónomo utilizando el software PVsyst”, que trata sobre la evaluación del sistema fotovoltaico autónomo utilizando el software PVsyst para desarrollar un sistema confiable y predecir la producción anual de energía. Determina la cantidad total de energía eléctrica generada por la matriz fotovoltaica que se suministra a la carga y los diversos tipos de pérdidas de potencia. Obtiene como resultado el tamaño óptimo de la configuración del sistema. Además, halla el flujo total de energía a través de todo el sistema y también predice la energía suministrada a la carga.
2.2 El Recurso Solar 2.2.1 Geometría solar
La posición del sol en relación con el observador en la superficie de la tierra es una entrada importante requerida al modelar el rendimiento del sistema fotovoltaico. La posición del sol se describe utilizando la convención que se muestra en la Figura 1. En la figura, Z
es el ángulo cenital del sol, Az es el ángulo de azimut de la superficie, s es el ángulo de azimut solar, al igual que el ángulo de elevación solar igual a 90°- Z, T es el ángulo de inclinación de la superficie y AOI es el ángulo de incidencia del sol.
Figura 1. Posición del sol.
Para tener una comprensión clara de los ángulos en la Figura 1, el punto de partida es definir los siguientes parámetros:
Ángulo de azimut solar (s) es el ángulo de la posición del sol con respecto al eje norte-sur.
Ángulo de elevación solar (s) se define como la altura del sol, es decir, el ángulo entre el horizonte local directamente debajo del sol y el centro del disco del sol. Se expresa usando el ángulo de declinación () y la latitud local () del sitio de la siguiente manera:
s = 90° - + (1)
Ángulo de declinación () se define como el ángulo entre el sol y el ecuador. Su valor varía entre -23,45 ° a 23,45 ° en relación con el día del año asignado. El ángulo de declinación se expresa de la siguiente manera:
δ = 23,45∙sen [360
365(284+NOD)] (2)
Donde, NOD o número de días es el día del año a partir del 1 de enero.
Tiempo solar local (LST) se define como el tiempo exacto en la longitud donde se coloca el observador y se expresa de la siguiente manera:
8 LST= tiempoh+EQT+lonact-lonref
15 (3)
Donde, lonact es la longitud real, lonref es la longitud de referencia, y EQT es la ecuación de tiempo que se define como la diferencia entre los tiempos solares verdadero y medio y se expresa de la siguiente manera:
EQT = 0,123∙cos [360
Ángulo horario () es una medida de la hora de cualquier día con respecto a la hora en que el sol está en su punto más alto en el cielo (mediodía solar). El ángulo horario se define utilizando la hora solar local (LST) de la siguiente manera:
= (12 - LST)·15 (6)
Ángulo cenital (Z) es la posición angular del sol con respecto a un eje/línea perpendicular a la superficie de la tierra y está dada por:
𝜃𝐴𝑂𝐼 = 𝑐𝑜𝑠−1[𝑐𝑜𝑠(𝜙)𝑐𝑜𝑠(𝛿)𝑐𝑜𝑠(𝜔) + 𝑠𝑒𝑛(𝛿)𝑠𝑒𝑛(𝜙)] (7) Donde, es el ángulo de declinación es la latitud en un lugar determinado.
Ángulo de incidencia (AOI) es el ángulo entre el haz del sol y la proyección atmósfera, que simplemente se aproxima de la siguiente manera:
𝐴𝑀 = 1
𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑍) = 𝑠𝑒𝑐(𝜃𝑍) (9)
La aproximación de la masa de aire es bastante precisa para ángulos cenitales inferiores a 80°, por lo que cuando el sol está cerca del horizonte se justifican modelos más precisos y complejos. La masa de aire real (AMactual) a cierta altitud (alt) se obtiene de la siguiente manera:
𝐴𝑀𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 = 𝑒−0,0001184∙𝑎𝑙𝑡
𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑍) + 0,5057(96,08 − 𝜃𝑍)−1,634 (10) Al nivel del mar, la masa de aire es igual a 1 cuando (Z = 0), es decir, cuando el sol está directamente sobre la cabeza. La masa de aire aumenta a medida que el camino de la luz solar directa a través de la atmósfera se alarga, es decir, cuando el ángulo cenital se hace más grande. Por otro lado, el espesor de la atmósfera disminuye a medida que aumenta la elevación del terreno y, por lo tanto, se reduce la masa de aire.
2.2.2 Irradiación
El incidente de radiación solar en la celda o módulo FV es el punto de partida para la generación de energía eléctrica. La irradiancia se define como la medición instantánea de la energía solar sobre un área y se mide en W/m2. Mientras que la insolación o irradiación es una medida de la cantidad de energía solar acumulada en la superficie de un área dentro de un período de tiempo.
2.2.2.1 Radiación extraterrestre.
La radiación solar se compone de muchas longitudes de onda () que transportan diferentes cantidades de energía.
Alrededor del 98% de la radiación solar es transportada por ondas con longitudes de 0,3 3 µm. La figura 2 muestra la radiación extraterrestre espectral para las ondas ultravioleta, visible e infrarroja en las regiones ( <0,38 µm), (0,38 µm < <0,78 µm) y (>
0,78 µm), respectivamente. La región ultravioleta contiene aproximadamente el 6,5% de la
10 energía total, mientras que la región visible contiene el 47,9% de la antera y el infrarrojo contiene el 45,6% restante de la energía total.
Figura 2. Radiación espectral extraterrestre (masa de aire AM = 0).
La Figura 3 muestra la radiación extraterrestre (Go) o la intensidad del sol incidente en una superficie tangente a la parte superior de la atmósfera de la Tierra. La radiación extraterrestre se expresa en un plano que es normal al sol en W/m2 y su valor cambia a lo largo del año de acuerdo con la distancia sol-tierra que varía previsiblemente durante el año debido a la órbita elíptica de la tierra.
Figura 3. Variación anual de la radiación extraterrestre.
La irradiación extraterrestre puede representarse empíricamente mediante las ecuaciones que siguen:
𝐺𝑜 = 𝐺𝑠𝑐 ∙ (𝑅𝑎𝑣 alcanza una superficie horizontal a la superficie de la tierra. Se puede medir con una variedad de instrumentos como piranómetros y celdas de referencia PV. Si la Irradiancia Horizontal Global (G) no se puede medir directamente, se puede calcular a partir de la irradiancia horizontal difusa (Gd) y directa irradiancia normal (Gn) usando la ecuación que sigue:
G = Gd + Gncos (Z) (13)
Donde, Z es el ángulo cenital del sol.
Figura 4. Radiación directa, difusa y reflejada.
La irradiancia horizontal difusa (DHI) es la irradiancia terrestre dispersada por la atmósfera y recibida por una superficie horizontal como se muestra en la Figura 4. Por lo general, se mide con un piranómetro, bloqueando el componente del haz de la radiación y,
12 si no se mide, se puede calcular de acuerdo con la ecuación 13. La irradiancia normal directa (DNI) proviene del haz del sol como se muestra en la figura 4 y se puede medir directamente con un pirheliómetro.
La DNI se puede calcular de acuerdo con la ecuación 13, pero si las mediciones de radiación difusa y global no están disponibles, se utilizan modelos para estimarlo.
2.2.2.3 Irradiancia de plano de matriz (POA)
En general, las aplicaciones solares se inclinan a un cierto ángulo óptimo para maximizar el rendimiento energético de salida. Por lo tanto, es necesario determinar la irradiación incidente de superficie inclinada a partir de la medición horizontal. La irradiancia del plano de matriz (Gt) se determina como sigue:
Gt = Gb,t + Gg,t + Gd,t (14)
Donde, Gb,t es el componente de irradiación de haz directo en el plano de la matriz, Gg,t es la irradiancia reflejada en el suelo en el plano de la matriz y Gd,t es el componente de irradiancia difusa del cielo en el plano de la matriz. El componente de haz de POA directo se calcula a partir de los valores de DNI de la siguiente manera:
Gb,t = Gn·cos(AOI) (15)
Donde, Gn es la irradiancia normal directa y AOI es el ángulo de incidencia solar en la superficie de la matriz. El componente de irradiancia difusa reflejada en el suelo se W/m2), recibida del sol en forma de radiación electromagnética.
La irradiancia solar a menudo se integra durante un período de tiempo determinado para formar la energía radiante emitida en el entorno (julios por metro cuadrado, J/m2), durante ese período de tiempo. Este irradiancia solar integrada se denomina irradiación solar (energía), exposición solar, insolación solar, o simplemente insolación.
La energía (H, kWh/m2), es producto de la irradiancia solar medida en W/m2 y instantánea. Como no es fácilmente posible hacer esta evaluación en cualquier momento y en cualquier lugar, se recurre el siguiente artificio para efectos de cálculo de ingeniería, que nos permite resolver con facilidad la integral anterior y obtener el valor de la energía acumulada diariamente:
H = I(t2-t1) (18)
Resultado de la integral anterior suponiendo irradiancia constante.
El rendimiento eléctrico máximo de todo aparato fotovoltaico (célula, módulo, panel o arreglo) se produce cuando sobre él incide el sol con 1 kW/m2 de irradiancia solar.
El sol incidiendo sobre una superficie fotovoltaica de 1 kW/m2 lo excita para que genere una potencia eléctrica considerada como máxima potencia o “potencia pico” y se la representa por Wp y se le mide en Watts.
Esta potencia eléctrica máxima (Pm) es el resultado de la generación constante de una corriente eléctrica continua de Im amperios y Vm voltios durante el intervalo t2 – t1; es decir:
Pm = Im·Vm (19)
Si el sol de 1 kW/m2 de potencia incide de manera constante sobre la superficie fotovoltaica, ésta generará una Pm (W o kW) también de manera constante.
14 En consecuencia y de acuerdo con H = I(t2-t1), hacemos el siguiente cálculo de energía:
H=1 kW
m2 (t2-t1) (20)
Siendo H la energía diaria del lugar medida en kWh/m2, entonces:
(t2-t1)=H kWh m⁄ 2
1 kW m⁄ 2 =H hora (21)
Por lo tanto, en “ese lugar” (cualquier lugar) tendremos H horas de sol de 1 kW/m2 que excitarán cualquier superficie fotovoltaica para que ésta genere su “potencia pico” es decir:
Pm = Im·Vm (22)
Consecuentemente aquella superficie fotovoltaica en “ese lugar” enviara diariamente a la batería del SFV una carga eléctrica equivalente a Im·H Ah (Amperio·hora).
2.3 Energía Solar Fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica convierte directamente la luz solar en electricidad, utilizando una tecnología basada en el efecto fotovoltaico. Cuando la radiación del sol golpea una de las caras de una célula fotoeléctrica (muchas de las cuales forman un panel solar), produce un diferencial de tensión eléctrico entre ambas caras que hace que los electrones fluyan entre una y otra, generando una corriente eléctrica.
Cuando comenzó la tecnología fotovoltaica, proporcionaba energía eléctrica a los satélites. El desarrollo de la tecnología de los paneles fotovoltaicos se aceleró desde la década de 1950 y ahora se ha convertido en una alternativa poderosa al uso de combustibles fósiles por ser una fuente de energía limpia, renovable, infinita y silenciosa. Además, requiere de poco mantenimiento.
2.3.1 Beneficios de la energía fotovoltaica
La electricidad generada por paneles solares fotovoltaicos es inagotable y no contamina, por lo que contribuye al desarrollo sostenible y favorece el empleo local. Del
mismo modo, se puede explotar de dos maneras diferentes: se vende a la red eléctrica o se consume en lugares aislados donde no hay una red eléctrica convencional.
Como tal, es un sistema especialmente efectivo para áreas remotas y rurales, que no pueden ser alcanzadas por líneas de energía eléctrica, o son difíciles o costosas de instalar, y en países que reciben muchas horas de luz solar por año.
El costo de instalación y mantenimiento de paneles solares, cuya vida útil promedio es de 30 años, se ha reducido notablemente en los últimos años, a medida que se desarrolla la tecnología fotovoltaica. Requiere una inversión inicial y un pequeño presupuesto operativo, pero, una vez que se instala el sistema fotovoltaico, el "combustible" es gratuito y está disponible de por vida. Los principales beneficios de la energía fotovoltaica son:
• Renovable
• Inagotable
• No contaminante
• Escalable, desde sistemas domésticos hasta grandes plantas.
• Apropiado para zonas rurales o remotas.
• Contribuye al desarrollo sostenible.
• Promueve el empleo local.
2.3.2 Efecto fotovoltaico
Cuando un semiconductor se ilumina con luz que tiene una energía mayor que su energía de banda prohibida, la luz se absorbe en el semiconductor y se generan pares de electrones. Esos electrones y agujeros fotoinducidos se recombinan posteriormente. Si se aplica un campo eléctrico al semiconductor, algunos de los portadores fotoinducidos participan en la conducción eléctrica y esto conduce a una disminución de la resistencia eléctrica del semiconductor. Esto se llama fotoconducción. Si hay una unión pn en el área iluminada, los electrones y los agujeros están separados por el campo eléctrico incorporado
16 en la unión pn sin ningún sesgo eléctrico, y se genera una fuerza electromotriz entre los semiconductores del lado p y n generado. Esto se llama efecto fotovoltaico (figura 5).
Figura 5. Efecto fotovoltaico.
2.3.3 Células, modulo y matriz solar
La célula solar es un dispositivo electrónico fabricado con material semiconductor, generalmente en forma de unión pn, que convierte directamente una fracción de la energía contenida en la luz solar en energía eléctrica utilizando las propiedades electrónicas de los semiconductores.
El elemento básico de un sistema fotovoltaico es la célula fotovoltaica, también llamada celda solar. En la figura 6 se muestra un ejemplo de una célula solar hecha de silicio monocristalino. Esta sola célula fotovoltaica tiene la forma de un cuadrado, pero faltan sus cuatro esquinas.
Figura 6. Célula solar monocristalino.
Para aumentar su utilidad, varias células fotovoltaicas individuales se interconectan juntas en un paquete sellado y resistente a la intemperie llamado panel (módulo). Por
ejemplo, un panel (módulo) de 12 V tendrá 36 células conectadas en serie y un panel (módulo) de 24 V tendrá 72 células fotovoltaicas conectadas en serie.
Para lograr la tensión y la corriente deseados, los módulos están conectados en serie y en paralelo a lo que se llama una matriz fotovoltaica. La flexibilidad del sistema fotovoltaico modular permite a los diseñadores crear sistemas de energía solar que pueden satisfacer una amplia variedad de necesidades eléctricas. La figura 7 muestra la célula, el panel (módulo) y la matriz fotovoltaica.
Figura 7. Célula, módulo y matriz fotovoltaica.
Figura 8. Construcción de un panel fotovoltaico.
Las células son muy delgadas y frágiles, por lo que se intercalan entre una lámina frontal transparente, generalmente vidrio, y una lámina posterior de respaldo, generalmente vidrio o un tipo de plástico resistente. Esto los protege de roturas y del clima. Se coloca un marco de aluminio alrededor del módulo para permitir una fácil fijación a una estructura de
18 soporte. La imagen de la figura 8 muestra un módulo con células con las partes que lo conforman.
2.3.4 Diodos de derivación
Como se mencionó, las células fotovoltaicas están conectadas en serie y en paralelo para formar un panel (módulo) fotovoltaico. El número de células en serie indica la tensión del panel (módulo), mientras que el número de células paralelas indica la corriente. Si muchas células están conectadas en serie, el degradado de células individuales puede conducir a la destrucción de la célula degradada o del material de laminación, por lo que el panel (módulo) puede ampollarse y explotar. Para evitar tal condición operativa, los diodos de derivación se conectan antiparalelos a las células solares como en la figura 9.
Como consecuencia, no pueden surgir diferencias de tensión mayores en la dirección de corriente inversa de las células solares. En la práctica, es suficiente conectar un diodo de derivación por cada 15-20 células. Los diodos de derivación también permiten que la corriente fluya a través del módulo fotovoltaico cuando está parcialmente degradado, incluso si tiene un tensión y potencia reducidos. Los diodos de derivación no causan ninguna pérdida, porque bajo operación normal, la corriente no fluye a través de ellos.
Figura 9. Célula fotovoltaica paralela con diodos de derivación.
2.4 Sistemas Fotovoltaicos Aislados
Este tipo de sistemas fotovoltaicos generan electricidad de modo independiente, no están conectados a la red eléctrica, están compuestos por: módulos fotovoltaicos, controlador-regulador, batería o banco de baterías si es que alimentan a una carga de corriente continua, y más un inversor si es que alimentan una carga de corriente alterna.
2.4.1 Módulos fotovoltaicos
Es importante comprender la tensión fundamental y las salidas de corriente de los módulos fotovoltaicos y cómo varían con los cambios de la temperatura y de la intensidad de la luz solar (irradiancia).
Los módulos fotovoltaicos están clasificados con dos valores de tensión diferentes:
tensión de circuito abierto y tensión de potencia máxima. La tensión de circuito abierto ocurre cuando no hay ninguna carga conectada a los módulos fotovoltaicos y la corriente no fluye. La tensión de máxima potencia es la cantidad de tensión producido por el módulo que corresponde a la cantidad máxima de energía para ese módulo.
Figura 10. Curvas de corriente versus tensión y, de potencia versus tensión.
La línea amarilla en la figura 10, es una curva típica de corriente versus tensión, muestra que la tensión de circuito abierto (Voc) el valor ocurre en el lado inferior derecho de la curva. En este punto, la tensión está en su máximo, y el flujo de corriente es cero. La tensión de máxima potencia (Vmp) está directamente debajo de la rodilla de la curva que se muestra. Voc es siempre un valor mayor que Vmp para módulos fotovoltaicos. Los fabricantes de módulos comúnmente mostrarán la potencia versus la tensión en el mismo gráfico, como se ve con la línea azul.
20 Si dibuja una línea recta hacia abajo desde la rodilla de la curva IV, se cruza con el valor de Vmp. Si también dibuja una línea recta a la izquierda de la rodilla, se cruza con el valor de corriente de potencia máxima (Imp). El producto de esos dos valores (Vmp·Imp) da como resultado el valor de potencia máxima en watt. El punto final que se muestra en la esquina superior izquierda de la figura 10 es la corriente de cortocircuito (Isc). Ese es el escenario donde los terminales positivo y negativo del módulo fotovoltaico están en contacto directo. Si bien esta situación puede no dañar el módulo, la corriente fluye dentro de los módulos, y se debe tener cuidado al interrumpir el flujo de corriente. La desconexión inadecuada puede provocar un arco de CC que puede ser difícil de extinguir.
Todos los módulos fotovoltaicos enumerarán los cinco valores en sus hojas de especificaciones y, como requisito de listado, en una etiqueta adjunta a cada módulo. Los valores informados siempre están en condiciones de prueba estándar (STC). Para los valores de tensión y corriente del módulo, los dos valores críticos de STC son para temperatura (25
°C) e irradiancia (1000 W/m2).
El valor de la temperatura es para el módulo fotovoltaico en sí, que será una función de la temperatura ambiente. El valor de irradiancia puede estar relacionado con un día soleado y brillante a nivel del mar. Ambos valores variarán en el transcurso de un día. Por lo tanto, es su trabajo darse cuenta de cómo estos cambios en las condiciones ambientales afectan la tensión y la corriente.
La cantidad de corriente producida por un módulo fotovoltaico es directamente proporcional a la intensidad del sol. Los niveles más altos de irradiancia harán que más electrones fluyan de las células fotovoltaicas a la carga unida. La cantidad de tensión producida por el módulo fotovoltaico se ve afectada por el valor de irradiancia, pero no tanto como se puede pensar inicialmente. De hecho, la figura 11 muestra el gráfico de la curva
La cantidad de corriente producida por un módulo fotovoltaico es directamente proporcional a la intensidad del sol. Los niveles más altos de irradiancia harán que más electrones fluyan de las células fotovoltaicas a la carga unida. La cantidad de tensión producida por el módulo fotovoltaico se ve afectada por el valor de irradiancia, pero no tanto como se puede pensar inicialmente. De hecho, la figura 11 muestra el gráfico de la curva