Energía Solar Fotovoltaica
Curso: Instalaciones Solares Fotovoltaicas
Antecedentes
• Primeras observaciones que relacionan luz y electricidad, s. XIX.
• Descubrimiento del efecto fotovoltaico del Si en 1941.
• Primera célula solar fotovoltaica en 1954 gracias a
Chapin, Fueller y Pearson.
Energía solar fotovoltaica
• La energía solar fotovoltaica es la energía procedente del Sol que se convierte en energía eléctrica de forma directa, sin ninguna conversión intermedia.
• Se produce mediante generadores fotovoltaicos
compuestos por módulos fotovoltaicos conectados
entre sí que su vez están compuestos por unidades
básicas denominadas células solares o fotovoltaicas.
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• Coordenadas y movimientos de la Tierra
• Coordenadas solares
• Orientación del generador fotovoltaico
• Radiación solar
• Efecto fotovoltaico
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• Coordenadas y movimientos de la Tierra
Mediante las coordenadas geográficas, latitud y longitud (figura 1.1) podemos definir con precisión una posición cualquiera de la superficie terrestre. Se expresan en grados sexagesimales y se dan con referencia al ecuador y al meridiano de Greenwich.
El ecuador es la circunferencia definida sobre la superficie terrestre por un plano perpendicular al eje de rotación de la Tierra que la divide en dos partes, el hemisferio norte y el hemisferio sur.
El meridiano de Greenwich es la semicircunferencia imaginaria que une los polos y pasa por Greenwich (distrito de Londres donde estaba el Greenwich Royal Observatory).
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• Coordenadas y movimientos de la Tierra
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• Coordenadas y movimientos de la Tierra
- Latitud: es la distancia angular que existe entre un punto cualquiera de la superficie terrestre y el ecuador, medida sobre el meridiano que pasa por dicho punto.
- Longitud: es la distancia angular que existe entre un
punto cualquiera de la superficie terrestre y el meridiano
de Greenwich, medida sobre el paralelo que pasa por
dicho punto.
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• Coordenadas y movimientos de la Tierra
- Movimientos de la Tierra: La Tierra tiene un movimiento de traslación alrededor del Sol, en sentido contrario a las agujas del reloj si se observa desde el hemisferio norte, describiendo una órbita ligeramente elíptica con el Sol situado en uno de los focos de la elipse y no en el centro de la misma. Esto provoca que la distancia del Sol a la Tierra no sea constante.
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• Coordenadas solares
Sistema de coordenadas como el azimut, la altitud, u otras, que permiten determinar en cada instante la situación y movimientos del Sol.
Las definiciones de las coordenadas solares son:
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• Coordenadas solares
• Elevación solar γs: es el ángulo que forman los rayos solares con la horizontal (figuras 1.6 y 1.7). Toma valores que van de (90o – φ – δ) en el solsticio de invierno a (90o – φ + δ) en el solsticio de verano, siendo φ la latitud del lugar y δ la declinación.
• Acimut solar ψs: ángulo formado por el meridiano del sol y el meridiano del lugar, tomando como referencia el Sur en el hemisferio norte y el Norte en el hemisferio sur (figuras 1.6 y 1.8). Tiene valores positivos de 0 a 180o hacia el Oeste y negativos de 0 a –180o hacia el Este.
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• Coordenadas solares
• Ángulo o distancia cenital θzs: ángulo formado por la dirección del sol y la vertical. Es el ángulo complementario de la elevación solar.
• El conjunto de trayectorias del Sol en un lugar determinado se puede representar en una carta solar.
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• Orientación del generador fotovoltaico
Una vez descritas las coordenadas que nos permiten situar el Sol en el cielo, hay que situar la superficie del generador fotovoltaico de manera que reciba la mayor cantidad posible de energía solar.
Esto depende de:
• La orientación de la superficie del generador fotovoltaico.
• El tiempo que se va a usar a lo largo del año: anual, estacional, etc.
• La aplicación que va a tener: autónomo, conectado a la red, etc
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• La orientación de un generador fotovoltaico se define mediante coordenadas angulares, similares a las utilizadas para definir la posición del Sol:
• Ángulo de acimut (α): ángulo que forma la proyección sobre el plano horizontal de la perpendicular a la superficie del generador y la dirección Sur (figura 1.11). Vale 0o si coincide con la orientación Sur, es positivo hacia el Oeste y negativo hacia el Este. Si coincide con el Este su valor es –90 y si coincide con el Oeste su valor es +90o.
• Ángulo de inclinación (β): ángulo que forma la superficie del generador con el plano horizontal (figura 1.12). Su valor es 0o si el módulo se coloca horizontal y 90o si se coloca vertical.
Energía solar fotovoltaica: Nociones
Una superficie recibe la mayor cantidad posible de energía si es perpendicular a la dirección del Sol. Como la posición del Sol varía a lo largo del día, la posición óptima de la superficie también tendrá que ser variable. Veamos cómo es esa variación.
Energía solar fotovoltaica: Nociones
Aunque hay generadores fotovoltaicos que son capaces de seguir la trayectoria solar, lo habitual es que la superficie del generador sea de orientación fija. La orientación óptima será un valor constante, con una inclinación (β) que va a depender de la latitud φ del lugar y un acimut (α) que depende del hemisferio en el que está situado el generador.
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• Radiación solar
• El Sol genera energía mediante reacciones nucleares
de fusión que se producen en su núcleo. Esta energía
recibe el nombre de radiación solar, se transmite en
forma de radiación electromagnética y alcanza la
atmósfera terrestre en forma de conjunto de
radiaciones o espectro electromagnético con
longitudes de onda que van de 0,15 µm a 4 µm
aproximadamente
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• Radiación solar
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• Radiación solar
• Radiación directa: la forman los rayos recibidos directamente del Sol.
• Radiación difusa: procedente de toda la bóveda del
cielo, excluyendo el disco solar, la forman los rayos
dispersados por la atmósfera en dirección al receptor
(por ejemplo, en un día completamente nublado toda
la radiación recibida es difusa).
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• Radiación reflejada o de albedo: reflejada por la superficie terrestre hacia el receptor. Depende directamente de la naturaleza de las montañas, lagos, edificios, etc. que rodean al receptor.
La suma de todas las radiaciones descritas recibe el
nombre de radiación global que es la radiación solar
total que recibe la superficie de un receptor y por lo
tanto la que nos interesa conocer y cuantificar
Energía solar fotovoltaica: Nociones
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• Efecto fotovoltaico
• Las células solares se fabrican con semiconductores. Los semiconductores son elementos sólidos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio.
• Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con solo cuatro electrones denominados electrones de valencia (figura 1.20). Estos átomos forman una red cristalina en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos formando enlaces covalentes.
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• Cualquier aporte de energía, como una elevación de la temperatura o la iluminación del semiconductor, provoca que algunos electrones de valencia absorban suficiente energía para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres.
• Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina una vacante (hueco) que con respecto a los electrones circundantes tiene efectos similares a los que provocaría una carga positiva. A las vacantes así producidas se las llama huecos con carga positiva.
Energía solar fotovoltaica: Nociones
• La energía mínima necesaria para romper un enlace y generar un par electrón hueco es una cantidad constante, característica del material semiconductor, que se denomina energía de enlace. Para el silicio, la energía necesaria para generar un par electrón-hueco es 1,12 eV.
El módulo fotovoltaico
• Un grupo de celdas, solares, asociadas eléctricamente entre sí y encapsuladas en un único bloque se llama módulo fotovoltaico, y constituye el elemento básico con que se construyen los generadores FV.
El módulo fotovoltaico
• El módulo más característico está constituido por entre 30 y 36 celdas , todas de igual tamaño y de iguales características I-V, conectadas en serie y encapsuladas entre una lámina de vidrio que cubre la cara posterior. El módulo presenta dos bornes de salida, positiva y negativa y a veces una intermedia para permitir la instalación de diodos de protección.
El módulo fotovoltaico
Autónomos o Remotos
Interactuando
con la Red
Eléctrica
Sistemas autónomos
Los sistemas autónomos son el mercado que estimuló la producción industrial de módulos Fotovoltaicos y dio credibilidad a la energía, al demostrar que pese a su costo, son la opción más económica en algunas aplicaciones terrestres.
• Electrificación rural
• Estaciones repetidoras
• Bombeo Rural
• Protección catódica
• Señalización
Aplicaciones de sistemas
fotovoltaicos autónomos
en Electrificación Rural
Telecomunicaciones y
medición remota de
señales .
Aplicaciones marinas
y señalización
Sistemas conectados a la red
CARGA
Cargas
Generador FV Inversor Medidor
Bidireccional
Un “Sistema Conectado” implica que un sistema de potencia ; conformado por un generador independiente y su carga asociada, cuenta también con una acometida de la red eléctrica
Estaciones Centrales y de apoyo a la red
Aspectos Económicos
Cargas
Aunque el costo de los sistemas FV no ha llegado a la madurez suficiente para competir en el mercado, si consideramos los siguientes aspectos, ésta tecnología estaría muy cerca de ser económicamente competitiva.
• El valor de la energía
• El valor de la capacidad de transmisión
• Ahorro en Pérdidas
• Valor de la potencia reactiva
• Confiabilidad
• Valor Ecológico
• Política Tarifaria
Impacto ambiental
• La conversión de la energía solar a eléctrica se realiza de manera limpia, directa y elegante, y no tiene partes móviles por eso es la mas compatible con el entorno ecológico.
• Sin embargo hay que mencionar que algunos de los
materiales con los que se fabrican las celdas son
tóxicos, pero como se usan cantidades mínimas no
representan riesgo.
¿Por qué usar energía fotovoltaica?
• Es importante que la planeación energética se realice con miras a lograr un desarrollo sustentable, esto se puede lograr con una visión clara del futuro que queremos .
• Existen dos elementos que sustentan su utilización:
“La necesidad de proteger el medio ambiente y la
necesidad de crecer económicamente”
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