domingo, 14 de diciembre de 2008


LA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Responsable: Iván Arturo Ramírez S.
TEMI–2 CDTI-SENA(VALLE) 2008

Que es energía?
La energía es una propiedad de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual éste puede transformarse, modificando su estado o posición, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación. La energía puede tener distintos orígenes y, dependiendo de ellos se le denomina de una forma u otra:
1.Energía cinética: Asociada al movimiento de los cuerpos
2.Energía potencial: Asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas.
3.Energía luminosa: Asociada a la radiación solar.
4.Energía nuclear: Asociada a los procesos de fusión (unión de núcleos) o fisión (ruptura de núcleos) que tienen lugar en el interior de los átomos.
•La energía presenta tres propiedades básicas:

1. La energía total de un sistema aislado se conserva.Por tanto en el Universo no puede existir creación o desaparición de energía.
2. La energía puede transmitirse (transferirse) de unos cuerpos, o sistemas materiales, a otros. 3. La energía puede transformarse de unas formas a otras.


LA ENERGIA SOLAR
•El Sol es un gigantesco reactor nuclear. En efecto es una enorme esfera gaseosa (con una masa 330.000 veces mayor que la de la Tierra), formado fundamentalmente por Helio, Hidrógeno y Carbono, en el seno de la cual se producen continuas reacciones nucleares de fusión liberando en dicho proceso una gran cantidad de energía.

La energía emitida por el Sol no llega a la Tierra de manera uniforme.
Varía según la hora del día, según la inclinación estacional del globo terráqueo respecto del Sol, según las distintas zonas de la Superficie terrestre, etc., debido a los movimientos de la Tierra.
Se ha calculado que la energía por unidad de tiempo que recibe del Sol una superficie situada a nivel del mar es de unos 1.353 vatios por metro cuadrado.

•Así, la absorción de la energía solar por parte de las plantas -el proceso fotosintético- da lugar a la biomasa. La energía eólica, la energía mareomotriz, etc., tienen también su origen en los efectos de la radiación solar sobre la Tierra.
•Es una energía procedente de una fuente gratuita (la radiación solar) e inagotable a escala humana (se calcula que el Sol tiene unos 6.000 millones de años de existencia y que ésta se prolongará por otros tantos millones de años más).

UNIDAD

•Para la energía eléctrica se emplea como unidad de producción el kilovatio-hora (kW·h) definido como el trabajo realizado durante una hora por una máquina que tiene una potencia de 1 kilovatio. 1 Kw · h = 36 · 105 J
ENERGÍA FOTOVOLTAICA

•La energía solar fotovoltaica proviene de la interacción de los fotones provenientes de la radiación solar con los elementos semiconductores que componen los paneles solares. • La tensión generada por los paneles solares es continua (como la de las pilas).

EL PANEL FOTOVOLTAICO

•Es el encargado de convertir la energía del sol en energía eléctrica, sus tensiones de salida normalmente oscilan entre los 12-24-48 voltios. Generalmente este es de los elementos de mayor coste de la instalación. Su vida aprox. oscila entre los 20-25 años. Su mantenimiento es mínimo.

LAS CELDAS SOLARES
Las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del foto voltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil.

•Las células fotovoltaicas están compuestas de materiales semiconductores principalmente silicio y germanio. • El material mas usado es el silicio y dentro de este encontramos tres tipos de paneles: -Monocristalino: 12% eficiencia.
-Policristalino: eficiencia algo menor (8-10%).
-Amorfo: eficiencia entre 5-7%.


Las placas fotovoltaicas se dividen en:

Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (reconocibles por su forma circular o hexagonal). Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad es superior a 12%.
Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas. Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad es ligeramente menor que en las de silicio monocristalino.
•Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado. Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad varía entre 5% y 7%.

•Su efectividad es mayor cuanto mayores son los cristales, pero también su peso, grosor y coste. El rendimiento de las primeras puede alcanzar el 20% mientras que el de las últimas puede no llegar al 1%, sin embargo su coste y peso es muy inferior.
Fabricación de los módulos fotovoltaicos

• El módulo fotovoltaico está compuesto por células individuales conectadas en serie. Este tipo de conexión permite adicionar tensiones.
•La tensión de cada célula (aprox. 0,5 voltios). Generalmente se fabrican módulos formados por 30, 32, 33 y 36 células en serie, conforme a la aplicación requerida.
•Se demanda dar al módulo rigidez en su estructura, aislamiento eléctrico y resistencia a los factores climáticos.
•Las células conectadas en serie son encapsuladas en un plástico elástico (Etilvinilacelato) que hace también el papel de aislante eléctrico.
•Un vidrio templado con bajo contenido de hierro, en la cara orientada al sol y una lamina plástica multicapa (Poliéster) en la cara posterior.
•El módulo tiene una moldura compuesta de aluminio o poliuretano y cajas de conexiones las cuales albergan los terminales positivo y negativo de la serie de células.
• En los bornes de las cajas se conectan los cables que unen el módulo al sistema.

Etapas del proceso de fabricación del modulo

•Ensayo eléctrico y clasificación de las células
•Interconexión eléctrica de las células
•Montaje del conjunto. Colocación de las células soldadas entre capas de plástico envolvente y láminas de vidrio y plástico
•Laminado del módulo. El conjunto es procesado en una máquina semi-automática de alto vacío que, por un proceso de calentamiento y presión mecánica, conforma el laminado.
•Curagem. El laminado se procesa en un horno con temperatura controlada en el cual se completa la polimerización del plástico envolvente y se alcanza la adhesión perfecta de los diferentes componentes. El conjunto, después de la curagem, constituye una única placa. •Molduración. Se coloca primeramente un sellante elástico en todo el perímetro del laminado y a continuación los perfiles de aluminio que forman la moldura. Se usan máquinas neumáticas para conseguir la presión adecuada. Las molduras de poliuretano son colocadas por medio de máquinas de inyección.
•Colocación de terminales, bornes, diodos y cajas de conexiones.
•Ensayo final.
Ensayo de los módulos Sobre los módulos se debe medir y observar:
•Características eléctricas operacionales
•Aislamiento eléctrico (a 3000 Voltios de C.C.)
•Aspectos físicos, defectos de acabado, etc.
•Resistencia al impacto.
•Resistencia a la tracción de las conexiones.
•Resistencia a la niebla salina y a la humedad ambiente.
•Comportamiento a temperaturas elevadas por períodos prolongados (100 grados Celsius durante 20 días).
•Estabilidad a los cambios térmicos (de -40º C a +90º C) en ciclos sucesivos.
¿Cómo funcionan las celdas solares?
•Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas ("agujeros") de las cargas negativa
•Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden re combinar pasando a través de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno. s (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico.

•La corriente es relativamente estable a altas temperaturas, pero el voltaje se reduce, conduciendo a una caída de potencia a causa del aumento de la temperatura de la célula.
•Una típica célula fotovoltaica de silicio monocristalino de 100 cm2 producirá cerca de 1.5 vatios de energía a 0.5 voltios de Corriente Continua y 3 amperios bajo la luz del sol en pleno verano.

Principales aplicaciones:

•Electrificación de inmuebles rurales: luz, TV, radio, comunicaciones, bombas de agua
•Electrificación de cercas
•Iluminación exterior
•Señalización
•Protección catódica
•Barcos, caravanas.

Componentes del sistema:

Corriente continua 12V:
•Paneles el módulos de células fotovoltaicas
•Soportes para los paneles
•Regulador de carga de baterías y banco de baterías
Corriente alterna 110/220V:
•Además de los elementos anteriores, entre las baterías y el consumo será necesario instalar un inversor de corriente con la potencia adecuada. El inversor convierte la corriente continua (DC) de las baterías en corriente alterna (AC). La mayoría de los electrodomésticos utiliza corriente alterna.

INVERSOR DE CC / AC

Efecto de factores ambientales sobre la característica de salida del dispositivo.
Efecto de la intensidad de radiación solar
•El resultado de un cambio en la intensidad de radiación es una variación en la corriente de salida para cualquier valor de tensión.
•La corriente varía con la radiación de forma directamente proporcional. La tensión se mantiene prácticamente constante.
Efecto de la temperatura
•El principal efecto provocado por el aumento de la temperatura del módulo es una reducción de la tensión de forma directamente proporcional.
•Es por eso que para lugares con temperatura ambiente muy elevada son adecuados módulos que posean mayor cantidad de células en serie a fin de que las mismas tengan suficiente tensión de salida para cargar baterías. Potencia máxima de salida durante el día
•La característica I-V del módulo varía con las condiciones ambientales (radiación, temperatura). Esto quiere decir que habrá una familia de curvas I-V que nos mostrará las características de salida del módulo durante el día en una época del año.
•La curva de potencia máxima de un módulo en función de la hora del día tiene la forma indicada en este diagrama de carga:
•se mide en vatios hora/día.

INTERACCIÓN CON UNA CARGA RESISTIVA

• el punto de operación del módulo será el de la intersección de su curva característica con una recta que representa gráficamente la expresión I= V / R, siendo R la resistencia de la carga a conectar.
Interacción con una batería
•Una batería tiene una tensión que depende de estado de carga, antigüedad, temperatura, régimen de carga y descarga, etc. Esta tensión es impuesta a todos los elementos que están unidos a ella, incluyendo el módulo fotovoltaico.
•Es la batería la que determina el punto de funcionamiento del módulo. La batería varía su amplitud de tensión entre 12 y 14 voltios.
•Dado que la salida del módulo fotovoltaico es influenciada por las variaciones de radiación y de temperatura a lo largo del día, esto se traducirá en una corriente variable entrando en la batería.
Interacción con un motor de corriente continua
•Un motor de corriente continua tiene también una curva I-V. La intersección de la misma con la curva I-V del módulo determina el punto de funcionamiento.
•Cuando se une un motor directamente al sistema fotovoltaico, sin batería ni controles intermediarios, disminuyen los componentes involucrados y por tanto aumenta la fiabilidad. Pero, no se aprovechará la energía generada en las primeras horas de la mañana y al atardecer.

Directamente unidos a una carga.

•Es el sistema más simple de todos.
El generador fotovoltaico se une directamente a la carga, generalmente un motor de corriente continua. Se utiliza sobre todo en la bombas de agua. Por no existir baterías de acumuladores ni componentes electrónicos mejora la fiabilidad del sistema, pero resulta difícil mantener un desempeño eficiente a lo largo del día.
Sistema módulo-batería de acumuladores
•Se puede utilizar un módulo fotovoltaico para reponer simplemente la auto descarga de una batería que se utilice para el arranque de un motor, por ejemplo. Para eso se pueden utilizar los módulos de silicio amorfo o Monocristalino.

Sistema fotovoltaico, batería y regulador

Es la configuración utilizada con módulos de 33 o 36 células en la cual se une el generador fotovoltaico a una batería a través de un regulador para que ésta no se sobrecargue. Las baterías de acumuladores alimentan cargas en corriente continua.
Reguladores de carga de baterías
El regulador
monitoriza constantemente la tensión de la batería de acumuladores. Cuando la tensión referida alcanza un valor para el cual se considera que la batería se encuentra cargada (aproximadamente 14.1 voltios para una batería de plomo ácido de 12 voltios nominales) el regulador interrumpe el proceso de carga.
•Esto puede ser conseguido abriendo el circuito entre los módulos fotovoltaicos y la batería (control tipo serie) o cortocircuitando los módulos fotovoltaicos (control tipo shunt). Cuando el consumo hace que la batería comience a descargarse y por tanto a bajar su tensión, el regulador reconecta el generador a la batería y recomienza el ciclo.

Baterías de acumuladores

•La función prioritaria de las baterías en un sistema de generación fotovoltaico es acumular la energía que se produce durante las horas de luminosidad a fin de poder ser utilizada a la noche o durante periodos prolongados de mal tiempo.
•Otra importante función de las baterías es proveer una intensidad de corriente superior a aquella que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Es el caso de un motor, que en el momento del arranque puede exigir una corriente de 4 a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.
Interacción entre módulos fotovoltaicos y baterías
•Normalmente el banco de baterías de acumuladores y los módulos fotovoltaicos trabajan en conjunto para alimentar las cargas.


Datos necesarios para dimensionar un sistema

•Tensión nominal del sistema. Se refiere a la tensión típica en que operan las cargas a conectar.

•Potencia exigida por la carga La potencia que cada carga exige es un dato esencial.

•Horas de utilización de las cargas Juntamente con la potencia requerida por la carga, se deberán especificar las horas diarias de utilización de la referida potencia. Multiplicando potencia por horas de utilización, se obtendrán los vatios hora requeridos por la carga al final de un día.

Localización geográfica del sistema
(latitud, longitud y altura sobre el nivel del mar del sitio de la instalación) Estos datos son necesarios para determinar el ángulo de inclinación adecuado para el módulo fotovoltaico y el nivel de radiación (medio mensual) del lugar.

•Autonomía prevista Esto se refiere al número de días en que se prevé que disminuirá o no habrá generación y que deberán ser tenidos en cuenta en el dimensionamiento de las baterías de acumuladores. •Para sistemas rurales domésticos se toman de 3 a 5 días y para sistemas de comunicaciones remotos de 7 a 10 días de autonomía.
calculo para determinar los vatios/hora diarios (Wh/día)

1)Identificar cada carga de corriente continua, su consumo en vatios y la cantidad de horas por día que debe funcionar.
2) Multiplicar (A)el tiempo de uso del equipo por (B) el consumo del mismo para obtener los vatios hora/día de consumo de cada aparato (columna [AxB]).
3) Sumar los vatios hora/día de cada aparato para obtener los vatios hora/día totales de las cargas en corriente continua (Subtotal 1).
4) Proceder de igual forma con las cargas en corriente alterna con el incremento del 15% de energía adicional para tener en cuenta el rendimiento del inversor (Subtotal 2). Para poder escoger el inversor adecuado, se deberá tener claro cuales son los niveles de tensión que se manejarán tanto en termos de corriente alterna como de continua.
5) obtener la demanda total de energía. Subtotal 1 + Subtotal 2.
Instalación y mantenimiento

Localización y orientación de los módulos
Para la buena instalación es importante seleccionar la mejor localización posible para los módulos fotovoltaicos. La localización debe reunir dos condiciones:

•Estar lo más próximo posible de las baterías (a fin de minimizar la sección del cable).
•Tener condiciones óptimas para la recepción de la radiación solar.
•Los módulos deberán estar suficientemente alejados de cualquier objeto que proyecte sombra sobre ellos en el período de mejor radiación (habitualmente de las 9 a las 17 horas) en el día más corto del año.

•Para conseguir un mejor aprovechamiento de la radiación solar incidente, los módulos deberán estar inclinados en relación al plano horizontal un ángulo que variará con la latitud de la instalación. BP Solar recomienda la adopción de los siguientes ángulos de inclinación.

•Las baterías deberán ser instaladas en un compartimento separado del resto de la habitación y con ventilación adecuada, pues de las baterías de plomo-ácido emanan gases explosivos.

•En las instalaciones rurales es aconsejable tener un cuadro de distribución con una entrada para el banco de baterías y una o dos salidas (con las respectivas protecciones) en que se repartirán los consumos de las habitaciones. En el referido cuadro también podrá haber un sistema indicador del estado de carga de las baterías.
Mantenimiento
Modulo fotovoltaico
Una de las grandes ventajas de los sistemas de producción fotovoltaicos es que no necesitan mantenimiento alguno. Es por eso que son los ideales en los sitios en que es preciso autonomía de funcionamiento.

•La parte frontal de los módulos está constituida por un vidrio templado con 3 a 3,5 mm de espesor, que los hace resistentes al granizo.

•Son auto-limpiantes debido a la propia inclinación que el módulo debe tener, de modo que a suciedad puede escurrir.

•De cualquier forma, en los lugares donde sea posible, será conveniente limpiar la parte frontal de los módulos con agua mezclada con detergente.

•Se debe verificar periódicamente que el ángulo de inclinación corresponde al especificado.

•Se debe confirmar que no haya proyección de sombras de objetos próximos en ningún sector de los módulos entre las 9 y las 17 horas, por el menos.

•Se debe verificar periódicamente si las uniones eléctricas están bien ajustadas y sin señales de oxidación.
Baterias
•Observar periódicamente el nivel de agua en cada uno de los compartimentos de todas las baterías. En caso de que el nivel estuviera bajo, completar con agua desmineralizada.

•Inspeccionar los terminales a fin de verificar si están bien ajustados y sin corrosión.

•Observar si existe sulfatación, pues esto podría indicar gas en la batería y por tanto un fallo del sistema de regulación.
CÁLCULO DE ENERGÍA ENTREGADA EN VATIOS-HORA (Wh) POR CADAPANEL FOTOVOLTAICO

•Para determinar la energía (E) que puede entregar cada panel fotovoltaico en vatios-hora, deberemos tener en cuenta los siguientes datos:

-Latitud del lugar (L).
-Potencia de los paneles (P) que vamos a usar en vatios (w).
-Por último, la siguiente ecuación:
E = (5-L/15) * (1+ L/100) * P

- De ahí, y continuando con nuestro ejemplo obtenemos los siguientes
datos:

-Latitud de Sevilla 37,4º grados.
-Potencia de los paneles a usar 50 vatios pico (Wp).
E = (5-37,4/15) * (1+37,4/100) *50 E =172,4 Wh

En el ejemplo de las condiciones climáticas de Sevilla, estas son
favorables, así que supondremos que aumenta en un 20%, con lo cual
quedaría de la siguiente manera:

20% de 172,4 Wh = 34,48 Wh
172,4 Wh + 34,48 Wh = 206,88 Wh>206,9 Wh.

A raíz de este cálculo, ya podemos saber el número de paneles que necesitamos para nuestra instalación, teniendo en cuenta la siguiente expresión:

Numero de paneles = Consumo diario / Energía aportada por panel
Nº de paneles = 1500 Wh / 206,9 Wh
Nº de paneles =7,3 (8 paneles de 50 Wp)
CÁLCULO ESTIMADO DEL COSTE DE LA INSTALACIÓN

•Más o menos podemos estimar que el precio del vatio pico de potencia instalada viene siendo de 12 euros aproximadamente, de ahí que a partir de nuestra instalación podemos calcular:

8 Paneles * 50 Wp = 400 Wp * 12 euros/Wp = 4800 euros.