GENERACIÓN ELÉCTRICA MEDIANTE ENERGÍAS RENOVABLES

Curso 2007-2008

Pablo Díaz

Dpto. Teoría de la Señal y Comunicaciones Área de Ingeniería Eléctrica

Escuela Politécnica - Universidad de Alcalá

GENERACIÓN ELÉCTRICA MEDIANTE ENERGÍAS

RENOVABLES

TEMA 3. ENERGÍA SOLAR 3.1 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

3.1.1 FUNDAMENTOS Y APLICACIONES DE LA ESFV 3.1.2 CÉLULA Y PANEL SOLAR

3.1.3 TECNOLOGÍA DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS EN CONEXIÓN A RED

3.1.4 DISEÑO DE INSTALACIONES FV EN CONEXIÓN A RED. ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO

3.1.5 INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AUTÓNOMAS: ELECTRIFICACIÓN RURAL Y BOMBEO DE AGUA

Aplicaciones Energía Solar Fotovoltaica Aplicaciones Aisladas de la Red (Autónomas) Aplicaciones Conectadas a la Red Telecomunicaciones Señalización Alumbrado público Otras aplicaciones profesionales Bombeo de agua Electrificación rural A. p rof esio n ales Aplicaciones espaciales

90 23 41 87 91 87 0 20 40 60 80 100 Nor te d e Áfr ica Áfr ica Sub-s ahar iana Sur d e As ia Este de Asia Ori ente Med io Am éric a La tina T a sa d e el ec tr ifi ca ci ó n (% ) 2000 1990 1970

Población sin electricidad (millones)

Población con electricidad (millones)

África 522 272

Asia 1.055 2.300

Latinoamérica 56 360

Resto del Mundo 8 1.108

Fuente: IEA, 2000

Opciones de electrificación:

Extensión Red Eléctrica

Generador Diesel

Plantas de biomasa

Mini-hidráulica

Eólica

Instalación Fotovoltaica

ESQUEMA BÁSICO: INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA AUTÓNOMA

Potencia nominal (pico) (Wp)

Máxima potencia que puede extraerse, en unas condiciones

Puntos importantes:

 Potencia real vs. Potencia nominal

 Degradación módulos, según tecnología (amorfo>cristalino)

 Configuración del generador FV (dispersión características de módulos e interconexionado)

Tecnologías:

• Silicio cristalino

• Silicio amorfo

Función:

Generación eléctrica (DC) a partir de la

radiación solar

ACUMULADOR ELECTROQUÍMICO (BATERÍA RECARGABLE)

Funciones del acumulador en instalaciones FV:

• Almacenar energía (horas, días)

• Suministrar potencia instantánea elevada

• Fijar punto (voltaje) de trabajo del sistema

Energía eléctrica (generación) Energía química (almacenamiento) Energía eléctrica (consumo)

CONSTITUCIÓN DE LA BATERÍA Cátodo Anodo Tapa Placa negativa Separador Placa positiva (tubular) Vaso Depósito de sólidos 1.859 - Planché 1.881 - Sellon

Difusión del electrolito

•Reacción en superficie •Difusión difícil •Concentración no uniforme Variaciones de volumen Pb PbO₂ PbSO₄

•La materia activa cambia de tamaño durante la carga y la descarga

•Tendencia al desprendimiento de materia

DEFINICIONES BÁSICAS EN BATERÍAS

• Tensión nominal, V_B,NOM: Vaso de 2V. Batería monobloque de 12V (6x2V). Diferente de

tensión en operación (aprox. 1,8-2,5V/vaso; 10,8-15V para batería de 12V).

• Capacidad nominal, C_B: máxima carga eléctrica que puede extraerse de la batería. Depende de la temperatura, la corriente de descarga y la tensión final. Se mide en Amperios-hora (Ah).

• Estado de carga, SOC: relación entre la carga almacenada en una batería y su capacidad nominal. Varía entre 0 < SOC < 1.

• Profundidad de descarga, PD: relación entre la carga extraída de una batería y su capacidad nominal. PD = 1- SOC.

• Régimen de descarga (o carga): relación entre la capacidad nominal y el valor de la corriente a la que se realiza la descarga (o la carga). Se expresa en horas (n)C_n, I_n

PROCESO DE DESCARGA



• Descarga (I_G< I_C): Transformación del PbO₂y Pb de las placas, en PbSO₄, con absorción de ácido del electrolito.

• Límite de descarga: Para evitar daños a la batería, se limita la tensión final (V_BF)  PD_max

V_B = V_BI - I_DESCARGA.R_BI CAPACIDAD: Función de I_DESCARGA, V_BF y T:

V_BF=cte,  I_DESCARGA  C_B  T   C_B

Tiempo de descarga (horas)

V

(V)

/

elemento

Pérdida

• Carga (I_G>I_C): Transformación del PbSO₄de las placas en PbO₂ y Pb con liberación del ácido al electrolito. • Fase 1:La tensión aumenta

lentamente, de forma casi lineal con el tiempo.

• Fase 2:La materia activa escasea. Aumento brusco de la tensión. Fin de carga. Sobrecarga y gaseo (agua a oxígeno e hidrógeno). 1 10 100 1000 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7

Tiempo de carga (horas)

V

(V)

/e

le

me

nto

T = Cte

1

2

- Oxidación de la rejilla positiva - Perdida de materia activa

GASIFICACION:

- Evaporación agua del electrolito - Homogenización del electrolito

2,3 <

V

<2,4

Regulador de carga

OPERACIÓN DE LA BATERÍA EN APLICACIONES FOTOVOLTAICAS 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 PD_d PD_e

1

D

* Periodos de baja radiación * PD_e < PD_MAX

3L<C_B<8L 0,6<PDMAX<0,8

0,05<PD_d<0,2

CARACTERISTICAS DE LA BATERIA FOTOVOLTAICA

- Buena resistencia al ciclado - Bajo mantenimiento

- Buen funcionamiento con corrientes pequeñas (carga y descarga) - Amplia reserva de electrolito

- Depósitos de material desprendido - Vasos transparentes

2V - Tubular estacionaria - 12V (>10 años de vida, ciclado profundo 300Ah 860EUR)

Solar modificada - 12V

(3-5 años de vida, ciclado medio, 100Ah 150EUR (x3=450EUR))

SLI automóvil - 12V

(2-5Años de vida, ciclado bajo-medio, 100Ah, 80EUR (x3=240EUR))

GEL - 12V, sin mantenimiento, mal a temperaturas altas,

ESQUEMA BÁSICO: INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA AUTÓNOMA

Recurso energético:

Radiación solar

incidente

• FUNCION: Evitar las situaciones de sobrecarga y sobredescarga de batería, para preservar su vida.

•  Actuación sobre líneas de generación y consumo según V_B o SOC

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL CONTROLADOR DE CARGA

En alta carga (generador):

Garantizar una carga suficiente de batería



Evitar sobrecarga excesiva

En baja carga (consumo):

Evitar descargas excesivas de batería



Garantizar suministro eléctrico diario suficiente Fin de carga Reposición de carga Reconexión de consumo Desconexión de consumo Tiempo T en sión d e b at er ía (volt ios) Zona no recomendada Zona no recomendada Control línea generador Control línea consumo

INVERSORES DC/AC Función: Conversión energía generada en DC a consumo en AC CARACTERÍSTICAS DESEABLES: ALTA EFICIENCIA

• Para un amplio rango de potencias • Bajo consumo en vacío (sin cargas) ALTA FIABILIDAD

• Resistencia a los picos de arranque • Protección frente a cortocircuitos • Seguridad

BUENA REGULACIÓN TENSIÓN Y FRECUENCIA DE SALIDA.

Fuente: Abella M., Chenlo F.(CIEMAT, 2004)

OPERACIÓN DEL INVERSOR EN INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AUTÓNOMAS

Eficiencia del inversor depende de la potencia de consumo instantánea

(régimen de carga, %)

Perfil de consumo, según aplicación

Datos técnicos fabricante:

- Eficiencia máxima - Eficiencia europea - Eficiencia a varias cargas - Curva completa de eficiencia 0 20 40 60 80 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Hora (% s o b re m a x c a rg a ) Ap 1 Ap 2 Ap 3

CABLEADO Y ACCESORIOS

Modos de fallo:

• Falta de identificación de polaridad

• Caídas de tensión excesivas (Ej línea batería-regulador):

1% V_RB  10% PD 10 11 12 13 14 0 20 40 60 80 100 SOC (%) T e nsi ón, v oltios VRB

Lorenzo, Zilles, Caamaño. V_RB

DISEÑO Y DIMENSIONADO DE INSTALACIONES

FOTOVOLTAICAS AUTÓNOMAS

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS AUTÓNOMOS

Fiabilidad del sistema autónomo:

Fiabilidad de equipos  fallos + fin de

vida y parada del sistema por reparación.

Fiabilidad “energética”  diseño y

dimensionado (radiación solar y consumo), en sistemas FV sin generador auxiliar.

ETAPAS:

 Dimensionado de la instalación: – Potencia del generador – Capacidad de la batería

 Elección de componentes del sistema

 Dimensionado final

 Evolución en operación real

Acumulación Acond. de potencia Generador Fotovoltaico Consumo DC Consumo AC Radiación solar

POTENCIA DEL GENERADOR FV

:

Factor de Seguridad del Generador FV

Lugar geográfico, pérdidas del sistema





:

Fiabilidad requerida (aplicación) Lugar geográfico

Factor de Seguridad de batería (“Días de Autonomía”)

Capacidad nominal de batería, C_B,NOM

G_{d m}(_opt): Irradiación diaria incidente sobre el plano inclinado  grados, expresada en W.h/m2

I_STC=1000W/m2_{: Irradiancia en condiciones estándares de medida (STC)}

L_dm: Consumo medio diario de energía, en W.h (estimación)

C_{B, ÚTIL}: Capacidad útil de batería

Potencia nominal de generador FV, P_NOM,G PÁRAMETROS DE DISEÑO , . ( ( ) / ) dm SG NOM G dm STC L F P G



Método del mes peor:

 Determinar las medias mensuales de irradiación diaria para el emplazamiento (localidad y posición) del generador

 Estimar la media mensual de consumo diario

 Elegir el mes más desfavorable (cociente radiación/consumo mínimo)

 Establecer los parámetros de dimensionado, F_SG y F_SB basados en la experiencia.

 Dimensionar la instalación para el más desfavorable

CASO PRÁCTICO: DISEÑO BÁSICO DE UNA INSTALACIÓN

FOTOVOLTAICA PARA SUMINISTRO ELÉCTRICO DE UNA

ESCUELA RURAL EN ARGENTINA

Radiación solar diaria 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ene Feb Mar Abr _May Jun Ju l Ago Sep Oct Nov Dic k W h /m 2 .d ia Spf. Horiz. Inc. 40o

PROYECTO: Escuela Rural

LOCALIDAD:Abra Pampa (Prov. de Jujuy, Argentina)

LATITUD: 22,8o _Sur

ALTITUD: 4.000msnm

kWh/m2_{.dia Spf. Horiz. Inc. 40}o

Ene 6,63 5,57 Feb 6,36 5,73 Mar 5,69 5,69 Abr 5,5 6,38 May 5,36 7,35 Jun 3,77 5,08 Jul 4,94 6,98 Ago 6,06 7,73 Sep 6,64 7,16 Oct 6,42 5,97 Nov 7 5,94 Dic 7,19 5,86 RECURSO SOLAR

Posición generador (inc. 40o_{, Norte):}

ESTIMACIÓN DEL CONSUMO ELÉCTRICO

Nº Tipo

W

Horas/día

Consumo diario (W.h/día)

4

Luminarias 11

8

352

4

Luminarias 18

8

576

2

Luminarias 2

8

32

1

TV

80

2

160

1

Radio

40

3

120

1

PC

80

6

480

TOTAL

1720WhAC



1910WhDC

(Supuesto consumo constante durante el año)

DIMENSIONADO

Radiación mes de diseño (G_dm): 5,08kW.h/m2_.día

Consumo estimado (L_dm): 1,91kWh/día

Factor de seguridad generador (F_SG): 1,25

Nº días autonomía batería (F_SB) : 5

Sistema a 24V

)

/

)

(

(

.

I

G

L

F

P







P

= 470W

PD

F

L

PD

C

C





.

_

_C

_{= 11940W.h}

_

_500A.h

DISEÑO INSTALACIÓN GENERADOR (470Wp, 24V)

costes)

reducir

para

3

paneles

W

x

W

Np

3

,

13

4

(

75

2

470

_

_



paneles

V

V

Ns

₂

12

24





x

x

W

P



2

4

75



600

DISEÑO INSTALACIÓN (II) BATERÍAS (500Ah, 24V) Batería Estacionaria: 12 elementos de 2V (12x1) 6OPzS 420 =12 x 187EUR/ud = 2244EUR

BATERÍA TIPO MONOBLOC (Automoción modificada)

C5 190 Ah - C20 225 Ah - C100 250 Ah

TENSIÓN: 12 V

Batería Automoción modificada:

DISEÑO INSTALACIÓN (III) REGULADOR (24V)

A

A

A

x

xI

N

I





4

4

,

67



18

,

68







23

,

3

A

A

I



12

,

9







16

,

1

1ud = 132 EUR

DISEÑO INSTALACIÓN (IV)

INVERSOR

(24V_DC/230V_AC) Máximo consumo instantáneo: 310WDC

INVERSOR ASP TC PICCOLO 2.5/24 600 Wp 24/230V 300VA

- Potencia Nominal: 300 VA. - Eficiencia Máxima: 92 %.

- Tensión Nominal de Entrada:24 V. - Rango de Tensión de Entrada: 21-32 V. - Consumo en Modo Stand-by: 3 W. - Rango de Temperatura: -25/+60 °C. - Dimensiones:190x110x75 mm. - Peso: 2,5 Kg.

1ud = 254 EUR

INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE SISTEMAS

FOTOVOLTAICOS AUTÓNOMOS

REQUISITOS DE LA INSTALACIÓN:

• Generador FV:

→ Paneles del mismo modelo (mismas características) → Longitud de cableado mínima

→ Orientación e inclinación adecuadas, evitando sombras futuras • Acumuladores:

→ Ubicación protegida de la intemperie y en zona sombría (T ≈20o_C)

→ En conexiones serie, baterías iguales (modelo y antigüedad) → No más de 2 baterías en paralelo (siempre del mismo modelo) • Equipos de regulación y acondicionamiento de potencia:

→ Ubicación centralizada en cuadro eléctrico, con protecciones (magnetotérmico)

→ Ubicación próxima a baterías • Cableado:

→ Distancia mínima de cables, especialmente en línea batería-regulador. Grosor suficiente (caídas de tensión mínimas)

ORDEN DE CONEXIÓN (salvo indicación contraria del fabricante):

• Conexión cables de regulador a batería (primero en terminales

de regulador) Comprobación operación correcta regulador.

• Conexión cables línea de generación, primero en el regulador. • Conexión líneas de consumo, con equipos apagados.

• Medida de tensiones en todos los equipos • Puesta en marcha de la instalación

MANTENIMIENTO PREVENTIVO:

→ Limpieza de paneles FV (inspección visual)

→ Comprobación nivel de líquido de baterías (inspección visual) → Medida de densidad en vasos de batería, detección de

desequilibrios (densímetro)  Recarga fuerte/recambio

→ Comprobación conexiones eléctricas

→ Comprobación funcionamiento de regulador e inversor (inspección visual, multímetro)

→ Comprobación funcionamiento equipos de consumo (inspección visual, multímetro)

BOMBEO DE AGUA MEDIANTE ENERGÍA

SOLAR FV

DESCRIPCIÓN Y DISEÑO

BOMBEO de AGUA



Elevada fiabilidad (no requiere baterías)



Permite tratamiento de agua



Coincidencia mayor necesidad de agua con

BOMBEO DE AGUA. DESCRIPCIÓN

Sistemas DC Sistemas AC

Constitución Generador y bomba Generador, bomba e inversor Generador (Wp) 160 – 600 600 – 8.000

Voltaje DC (V)  60  120

Motobomba Flotante Sumergida Rango (m4/día) 100 – 200 500 – 6.000 Fiabilidad Media Muy elevada Periodo de

mantenimiento 6 – 12 meses 5 – 7 años

DC AC DC AC

V

V

H

H

BOMBEO DE AGUA. CONCEPTOS BÁSICOS

P_H= Potencia hidráulica

P_fricción = Pérdidas en tuberías P_EL = Potencia eléctrica

P_NOM,G = Potencia nominal del generador fotovoltaico

Q = Caudal instantáneo

Q_d = Caudal diario bombeado

H_T = Altura total de bombeo

_I = Eficiencia del inversor

_MB = Efi. conjunto moto-bomba

H

V

P

P

P

BOMBEO DE AGUA. CÁLCULO CAUDAL BOMBEADO







(W)

Q

H

P

.g.

.

P

P

P







I

G

P

P







).

/

)

(

(

)

W

(

conocida: G, P_NOM,G, H_T,







dt

H

I

G

P

dt

Q

Q











.

725

,

2

.

.

.

)

(

).

/

(

,725.

2

Q

m

h

H

m



BOMBEO DE AGUA. USO DE HERRAMIENTAS GRÁFICAS

Caudal diario, Q_d (m3_{/día) Altura total equivalente,}

H_TE(m)

Potencia del generador, Irradiación diaria sobre superficie,

Gráficos suministrados por los fabricantes Ejemplo: Q_d=25m3_/día H_TE=40m G_d=6KW.h/m2_.día Gráfico P_NOM,G= 1500Wp

¿Cómo estimar la altura total equivalente, H_TE?

BOMBEO DE AGUA. COMPORTAMIENTO DEL POZO

Reposición de agua

Bombeo

Datos del pozo (sondeos previos): • Q_MAX (m3_/h)

•H_ST (m)

Localidad Nivel estático

HST (m)

Nivel dinámico

HDT (m)

Máximo caudal extraible

QMAX (m3/ h) Angola Rotunda 20 45 7.2 Simoes de A breu 11 49 8.3 Chamaco 12 32 6.9 Nongiue 20 24 13 Lupale 20 44 5 Mimue 16 53 8.5 Marruecos O um Erromane 10.8 25 17.3 A bdi 12.7 35 21.6 Iferd 9.8 60 36 O urika 16.4 18.2 10.8 A it Mersid 7.9 35 15.5

Datos suministrados por elBoureau Technique de Ouarzazate, Ministere de L’Interieur,

Royaume du Maroc, y por Direçao Geral de Aguas do Ministério da Energia e Petroleos de Angola. Narvarte, 1999.

BOMBEO DE AGUA. ESTIMACIÓN ALTURA TOTAL EQUIVALENTE

Reposición de agua

Bombeo

Altura total equivalente (m):

H_TE=H_DT(Q_medio) + H_depósito + H_fricción (Q_medio) Altura total instantánea (m):

H_T=H_DT(Q) + H_depósito + H_fricción Datos del pozo (sondeos previos):

• Q_MAX (m3_/h)

•H_ST (m)

BOMBEO DE AGUA. COMPATIBILIDAD ENTRE BOMBA Y POZO

Criterio:

Caudal bombeado inferior al caudal máximo del pozo al 80% de P_NOM,G

En el ejemplo anterior: 80% de 1500Wp  1200Wp Gráfico Caudal instantáneo: 4m3_{/h < Q} MAX (m3/h) Dato característico de cada pozo

BOMBEO DE AGUA. DATOS REALES DE CONSUMO

Datos mensuales de Iferd (Marruecos), 622 habitantes en 61 familias

Consumo en litros/ pers.día Localidad

V erano Invierno Anual

Iferd 35,5 24,8 29,9

A it mersid 56,8 27,6 40,6

Bouzergane 18,0 11,9 14,8

Bomba centrífuga superficial (Solarjack) Bomba de diafragma no sumergible (Shurflo)

TIPOS DE BOMBAS PARA USO FOTOVOLTAICO

Criterio de diseño: Operación a potencia variable

Grandes volúmenes de agua (10-40m3_por

día) a poca altura (1-10m de altura dinámica total). Fácil acceso para mantenimiento.

Opción más utilizada. Volúmenes medios y alturas medias y grandes. Elevada fiabilidad

Opción válida para pequeños volúmenes de bombeo (1-5m3_por

MOTOBOMBA SUMERGIBLES (AC). VISTA INTERNA

Motobomba centrífuga sumergible

Motobomba sumergible con rotor en espiral (nuevos diseños) Álabes

Rotor en espiral

Motor Bomba

MOTOBOMBAS CENTRÍFUGAS SUMERGIBLES (AC) Potencia motor: 7,5kW Potencia motor: 7,5kW, 3kW, 2,2kW, 1,5kW H(m) 3 X Potencia motobomba 1,5kW 2,2kW 3kW 7,5kW A gua bombeada (m3_{/ día)} 20 30 30 46 A ltura de bombeo (m) 42 58 86 120

BOMBEO. REQUISITOS DE OPERACIÓN

 Protección frente a funcionamiento en seco

 Detección de presencia de agua en el pozo

 Sensor de nivel en el depósito

 Protección equipos eléctricos

 Caídas de tensión en cables mínimas (<3%V_nom)