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Introducción a la ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

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Academic year: 2021

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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

(2)

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 4

Célula Solar

E

I

>0

500 m Metalización Capa Antirreflexiva

(3)

5

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%

(4)

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%

(5)

Principales tecnologías

* SILICIO AMORFO

Electrodo transparente (TCO: Transparent conductive oxide) Metal Si amorfo Conexión serie Vidrio Luz 1m 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 comercial

(6)

Principales 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

(7)

13

ISCM

VOCM -1/RPM

-1/RSM

Módulo fotovoltaico:

Curva característica

I

SCM

= N

P

I

SC

V

OCM

= N

S

V

OC

R

PM

= R

P

/N

P

R

SM

= R

S

N

S

NP 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 ISC

Tensión de circuito abierto:

P= 0 x VOC= 0

(8)

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

(9)

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

(10)

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)

(11)

21 [Fuente: BP Solar]

(12)

Grandes dimensiones

[300 W; 2,5 m2; 46 kg]

Laminados (sin marco)

Semi-transparentes

Vidrio-vidrio

OTROS MÓDULOS FV

(13)
(14)
(15)

Formas especiales

Otros módulos fv

(16)

“Tejas fotovoltaicas”

Otros módulos fv

(17)
(18)

36 [Fuente: Centennial Solar]

(19)

37 [Fuente: Centennial Solar]

38

(20)

39

Laminados con distintos grados de transparencia

 = 4,4%

= 3,8%

= 3,2%

= 2,5%

40

Lámina impermeabilizante

(21)

41

Ejemplo: Lámina impermeabilizante

[Fuente: Intemper]

42

Tecnologías y tipos de módulos fv

CAPA DELGADA:

CIS/CIGS

(22)

43

Tecnologías y tipos de módulos fv

CAPA DELGADA: Teluro de Cadmio (CdTe)

[Fuente: First Solar]

44

Tecnologías y tipos de módulos fv

(23)

46

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)

(24)

47

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

B

3L<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.

(25)

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)

(26)

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) (

(27)

53 Fin de carga Reposición de carga Reconexión de consumo Desconexión de consumo Tiempo Te nsión de bate 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)

(28)

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

(29)

57

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 AC

Acondicionamiento de potencia: Inversor

(30)

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

(31)

61

Ejemplo, inversores senoidales

de pequeña-media potencia:

62

Ejemplo, inversor comercial:

(32)

Evolución de los inversores conectados a la red

(33)

Inversores string (≤5 kW)

Inversor central (5-1000 kW)

Ejemplos

Inversores módulo AC (240 W)

Módulos MPPT

MPPT MPPT MPPTMPPT MPPT MPPT  Sur Este MPPT MPPT MPPT  Oeste Diferente tamaño

(potencia) Inclinación y orientación

Sombras o suciedad

(34)

Referencias

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