1 MIGUEL ÁNGEL EGIDO AGUILERA INSTITUTO DE ENERGÍA SOLAR Universidad Politécnica de Madrid
Introducción a la
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
2
El sistema fotovoltaico
GENERADOR FOTOVOLTAICO:Células mono o policristalinas Estructura estática o con seguimiento Sistema de concentración
GENERADOR AUXILIAR:Grupo termoeléctrico diesel o gasolina
ACUMULADOR:Batería Pb-Acido, depósito de agua, otros
ACONDICIONAMIENTO DE POTENCIA:Regulador de carga de batería Convertidor DC/AC
Convertidor DC/DC
CARGAS:Instalaciones conectadas a la red o autónomas Alimentación DC o AC Acumulador Acondicionamiento de potencia Generador Fotovoltaico Generador Auxiliar Cargas DC Cargas AC Red eléctrica
1. INTRODUCCIÓN
SILICIO: MATERIAL PARA CÉLULAS SOLARES
El 87,4% de las células solares se fabrican con silicio cristalino
Es el elemento más abundante en la corteza terrestre (más del
60%)
3 4Célula Solar
E
I
>0
500 m Metalización Capa Antirreflexiva5
Célula Solar:
Curva característica
Corriente de cortocircuito Tensión de circuito abierto
Potencia máxima
CONDICIONES ESTÁNDAR DE MEDIDA (CEM)
[Standard Test Conditions, STC]:
Irradiancia solar incidente: ISTC= 1000 W/m2
Incidencia perpendicular, Distribución espectral AM1.5G
Temperatura de operación de las células: TC,STC= 25ºC
Corriente de máxima potencia
Tensión de máxima potencia
PM= Potencia máxima= IMVM
FF= Factor de forma= PM /(ISCVOC)
Eficiencia de conversión o rendimiento: S =Área célula G = Irradiancia G S P · M
PRINCIPALES TECNOLOGÍAS
SILICIO MONOCRISTALINO (Comercial)
5”; transparencia 10%; =14% 15,6 cm (6”) =17-18.5%
5” =20%
10 cm (4”; en desuso) 12,5 cm (5”) =14-18.5%
Principales tecnologías
SILICIO MULTICRISTALINO (/POLICRISTALINO) (Comercial)
De colores: =12-14% =12-14% =10-12% =12-14% 6” =16-17%
Color vs. espesor capa AR 5”
=14-16% =14%
Principales tecnologías
NUEVAS FORMAS DE METALIZACIÓN (Integración arquitectónica)
Célula Módulo (96% eficiencia respecto de célula convencional) (98% eficiencia respecto de célula convencional) Bifacial; 6” ; =16,4% =16,4% 6” =16,4%
Principales tecnologías
* SILICIO AMORFO
Electrodo transparente (TCO: Transparent conductive oxide) Metal Si amorfo Conexión serie Vidrio Luz 1m 9 Eficiencia típica: 5-8% (estabilizada), a nivel
de módulo comercial
Substratos rígidos (vidrio, metal) o flexibles
(plásticos): 1-3 mm
Espesor material activo: ~0,3 m Aspecto: uniforme
Color: marrón rojizo, azul, azul-violeta Posibilidades de distintas transparencias
Principales tecnologías
* CIS (DISELENIURO DE COBRE E INDIO)
Eficiencia típica: 9-11% a nivel de módulo comercial Substratos rígidos (vidrio, 2-4 mm) o flexibles (plásticos) Espesor material activo: 1-2 m
Aspecto: uniforme Color: gris oscuro a negro
10
* CIGS (DISELENIURO DE COBRE, INDIO Y GALIO)
Eficiencia típica: 11-14% a nivel de módulo comercialPrincipales tecnologías
* CdTe (TELURO DE CADMIO)
Eficiencia típica: 8-10% a nivel de módulo comercial Substratos rígidos (vidrio, 3 mm)
Aspecto: uniforme
Color: verde oscuro a negro
Inconvenientes: Elevada toxicidad del Cadmio Menor coste de fabricación de tecnologías de capa
delgada 11 12
Vidrio templado Etileno-vinil-acetato (EVA) Células solares Capa de TEDLAR Caja de conexiones Etileno-vinil-acetato (EVA)Marco de aluminio anodizado
El módulo fotovoltaico convencional
FUNCIONES:
Niveles de voltaje e intensidad
Rigidez estructural
Protección intemperie (fatiga térmica, radiación UV, abrasión)
Aislamiento eléctrico
Transparencia
Facilidad de instalación
Disipación del calor
TECNOLOGÍA: Vidrio (bajo Fe) E.V.A. (o P.V.B.) Vidrio o Tedlar Contactos de Cu (Sn) Marcos de Al Junta de silicona Tornillería inoxidable
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ISCM
VOCM -1/RPM
-1/RSM
Módulo fotovoltaico:
Curva característica
I
SCM= N
PI
SCV
OCM= N
SV
OCR
PM= R
P/N
PR
SM= R
SN
SNP número de células en paralelo NS número de células en serie
NP N S 14
0 4 8 12 10 20 30 40 50 Voltaje (V) Corriente (A ) CEM G = 700 W/m2 Tambiente= 34 ºC IM VM Punto de máxima potencia:P = IMx VM= PM
Curva característica I-V:
Potencia nominal:
Potencia máxima en CEM (unidades: W ó
Wp)
“vatios-pico”Caracterización eléctrica
Corriente de cortocircuito: P= ISCx 0 = 0 ISCTensión de circuito abierto:
P= 0 x VOC= 0
Formación de cadenas
+
- Matriz de células Encintado
Cinta de Cu/Sn
Conexión automática de células
Laminación
Marco y caja de conexiones Medida y clasificación Composición del laminado
Vidrio E.V.A. E.V.A. Matriz Plástico o vidrio
IEC 61215 Ed.2 (2005):
Crystalline silicon terrestrial PV modules.
Design qualification and type approval
[UNE-EN 61215]
Fugas en inmersión
Inspección visual, Características eléctricas, Aislamiento
Radiación UV 50 Ciclos térmicos (40 -+85ºC) 10 ciclos térmicos húmedos (85% HR) Calor húmedo (85ºC, 85%HR) Impactos (hielo) Carga mecánica Robustez de terminales Exposición al sol Punto caliente 200 ciclos térmicos (-40 - +85ºC) Parámetro s eléctricos y térmicos Fugas en inmersión
Homologación de módulos fotovoltaicos: diseño y tipo
IEC 61646 Ed.2 (2005): Thin film terrestrial PV modules. Design qualification & type approval [UNE-EN 61646]
IEC 61730 Ed.1 (2004):
Photovoltaic modules safety qualification.
[En breve: UNE-EN 61730]
Clases de módulos atendiendo a la seguridad:
A (Clase II, doble aislamiento); B (Clase 0, aislamiento básico); C (Clase III, baja tensión)
Exposición al fuego Resistencia al corte
Continuidad conexión a tierra
Sobretensiones de origen atmosférico Resistencia dieléctrica
Tipo de rotura por impacto
Pruebas a componentes y materiales
CARACTERÍSTICAS TÍPICAS: Potencia nominal: 50 – 150 W
Superficie: 0,5 – 1,5 m2
Peso: 10 – 15 kg/m2
S. frontal: vidrio~ 3 mm espesor
S. posterior: tedlar
Con marco metálico (Al anodizado)
Módulos fv convencionales
20
Ejemplo: Monocristalino (tecnología Saturno)
21 [Fuente: BP Solar]
Grandes dimensiones
[300 W; 2,5 m2; 46 kg]
Laminados (sin marco)
Semi-transparentes
Vidrio-vidrio
OTROS MÓDULOS FV
Formas especiales
Otros módulos fv
“Tejas fotovoltaicas”
Otros módulos fv
36 [Fuente: Centennial Solar]
37 [Fuente: Centennial Solar]
38
39
Laminados con distintos grados de transparencia
= 4,4%
= 3,8%
= 3,2%
= 2,5%
40
Lámina impermeabilizante
41
Ejemplo: Lámina impermeabilizante
[Fuente: Intemper]
42
Tecnologías y tipos de módulos fv
CAPA DELGADA:
CIS/CIGS
43
Tecnologías y tipos de módulos fv
CAPA DELGADA: Teluro de Cadmio (CdTe)
[Fuente: First Solar]
44
Tecnologías y tipos de módulos fv
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Tipo de acumulador:
Energía almacenable (A.h) Tiempo de almacenamiento Tiempo de descarga (horas de uso) Coste y disponibilidad
Batería plomo-ácido
• Almacena energía • Suministra potencia instantánea elevada • Fija punto (tensión) de trabajo del sistema
Aplicaciones fotovoltaicas
Acumulador electroquímico:
Energía eléctrica
(generación fv)
Energía química
(almacenamiento
)
Energía eléctrica (consumo)
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Baterías fotovoltaicas: ciclado
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
PDd
PDe
1
Días
Estado de Carga de la batería (1= cargada)
CICLADO DIARIO
* Consumo nocturno (L
n)
* PD
d= L
n/ C
B3L<C
B<8L
0,5<PD
MAX<0,75
0,05<PD
d<0,2
CICLADO ESTACIONAL
* Periodos de baja radiación
* PD
e< PD
MAX 48
Resistencia al ciclado
Bajo mantenimiento
Corrientes pequeñas
Reserva de electrolito
Depósitos de material
desprendido
Vasos transparentes
Baterías tubulares,
con rejillas de aleación de bajo
contenido
antimonio-selenio.
49
Tipo
Ventajas Inconvenientes
Tubular estacionaria Ciclado profundo Precio elevado
Tiempos de vida largos Disponibilidad escasa en Reserva de sedimentos determinados mercados Arranque Precio Mal funcionamiento
(SLI-automóvil) Disponibilidad ante ciclado profundo y bajas corrientes
Tiempos de vida cortos Escasa reserva de electrolito
Tubular estacionaria (6 vasos; 12V) Tubular estacionaria
(vaso de 2V) SLI automóvil ( 12V)
Baterías utilizadas en el terreno
50
Tipo de batería
Ventajas
Inconvenientes
Solar “modificada” Fabricación similar a SLI No recomendada para ciclados Amplia reserva de electrolito profundos y prolongados Buen comportamiento Tiempos de vida medios
en ciclados medios
Gelificada Escaso mantenimiento Deterioro rápido en condiciones de operación extremas (V y T)
Solar modificada (12V)
51
Ejemplo, baterías comerciales estacionarias:
C10: Capacidad para un régimen de descarga de 10 horas C120: Capacidad en 120 horas de descarga
52
Función:
Evitar las situaciones de sobrecarga y sobredescarga, para
preservar la vida de la batería.
Actuación sobre líneas de generación y consumo según la
tensión de la batería o su Estado de Carga (“State-Of-Charge”)
Acondicionamiento de potencia: Regulador de carga
Regulador SHS
(12 V, 3 A) (
53 Fin de carga Reposición de carga Reconexión de consumo Desconexión de consumo Tiempo Te nsión de bate rí a (v ol ti os ) Zona no recomendada Zona no recomendada
Control del generador
Control del consumo
EN ALTO ESTADO DE CARGA (procedente del generador):
Garantizar una carga suficiente de la batería
Evitar sobrecarga excesiva
EN BAJO ESTADO DE CARGA (suministro al consumo):
Evitar descargas excesivas de la batería
Garantizar suministro eléctrico diario suficiente
Regulador de carga: funcionamiento
54 Reguladores de carga para instalaciones FV autónomas
(12V-24V, hasta 30A)
55
Ejemplo, reguladores de carga comerciales:
56
Función: Conseguir que el punto (V,I) de trabajo del generador
fotovoltaico coincida con el de máxima potencia
Procedimiento: Enfrentar al generador una impedancia tal que su
punto de trabajo coincida con el de máxima potencia
(1) (2) TON T OFF t ON OFF P V (i,i+1) (3) (1) Pi+1< Pi VG< VMG
Eficiencia típica entre 0,95 – 0,98 (95 – 98%)
Disponibles para módulos individuales, o para generadores con
fotovoltaicos de potencia > 1-2 kWp, generalmente integrado con el
regulador de carga
SEGUIDOR DEL PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA
(CONVERTIDOR DC/DC)
(3) Pi+1= Pi VG= VMG
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Ejemplo, regulador de carga con seguimiento MPPT:
58
Función:
Adaptar las características de la potencia generada
(continua), a las requeridas por cargas (alterna)
Generar una onda de impulsos
mediante conmutación de la fuente,
eliminando armónicos indeseados
Inversor de pequeña potencia (200 W) (40 cm)
=
DC Sintetizador de onda Filtro US ACAcondicionamiento de potencia: Inversor
59
Inversores de potencia < 500 W para instalaciones fv autónomas
Alta eficiencia de conversión para rango elevado de potencias
Bajas pérdidas de autoconsumo (consumo en vacío, sin carga)
Alta fiabilidad: Resistencia a puntas de arranque Estabilidad en tensión y en frecuencia
Protecciones incorporadas (cortocircuito, contacto directo e indirecto, etc.)
Inversores fotovoltaicas: características deseables
60
Ejemplo, inversor comercial de
61
Ejemplo, inversores senoidales
de pequeña-media potencia:
62
Ejemplo, inversor comercial:
Evolución de los inversores conectados a la red
Inversores string (≤5 kW)
Inversor central (5-1000 kW)
Ejemplos
Inversores módulo AC (240 W)
Módulos MPPT
MPPT MPPT MPPT MPPT MPPT MPPT Sur Este MPPT MPPT MPPT Oeste Diferente tamaño(potencia) Inclinación y orientación
Sombras o suciedad