Curso de Sistemas Fotovoltaicos SAECSA ENERGIA SOLAR
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SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS
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ALTERNATIVAS DE ENERGÍA
Energía Solar Energía obtenida por la luz del Sol
Energía Eólica Energía obtenida del Viento
Energía con Motogeneradores Motogeneradores Energía obtenida por Plantas Diesel
TEMARIO DE SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS 1.- INTRODUCCIÓN La Energía Solar Aplicaciones Características y Ventajas Justificación de su uso Disponibilidad de Energía a Escala Mundial y Nacional
2.- CONFIGURACIÓN BÁSICA DE UN SÍSTEMA FOTOVOLTAICO Descripción General de los elementos y operación de un sistema fotovoltaico
3.- CONCEPTOS DE ELECTRICIDAD Analogía entre un sistema eléctrico y un sistema hidraulico Conceptos de Potencia y Energía
4.- MÓDULOS SOLARES Celda Solar Estructura de una celda solar Principio de operación de una celda solar Conexión serie de celdas solares en un módulo solar Fabricación de una celda Términos empleados en sistemas fotovoltaicos (celda, módulo, panel y arreglo) Conexiones serie y paralelo Parametros de un módulo solar
TEMARIO DE SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS 5.- EL RECURSO SOLAR Conceptos Básicos Las horas pico Conceptos de radiación directa, difusa y global Trayectoria Solar vs. Latitud del Lugar Mapas de Insolación Tipos de captadores solares
6.- SÍSTEMA FOTOVOLTAICO Descripción de un sistema fotovoltaico Dimensionamiento de un sistema
7.- MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS Mantenimiento Preventivo Mantenimiento Correctivo
CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN
La energía Solar
Es la energía proporcionada por el Sol, el cual es un conjunto de radiaciones electromagnéticas similares a las ondas de radio, pero de mayor frecuencia. El Sol no emite calor sino radiación. El efecto de esta radiación es el calentamiento de los cuerpos donde la misma incide.
Aplicaciones: Luminarias Fotovoltaicas
Luminarias Fotovoltaicas.
Aplicaciones: Repetidor de Microondas de Teléfonos
Repetidor de Microondas alimentado por un sistema híbrido solar-diesel. Cuenta con un arreglo solar de 4.0 Kw, banco de baterías de 1060 A-H a 48 volts. El Sistema es supervisado por medio de un control de carga CCX 48/100/50 con señal de arranque a la planta diesel.
Aplicaciones: Comunidades Rurales
Para pequeñas comunidades rurales, utilizando pequeños sistemas
Aplicaciones: Sistemas Hibridos Fotovoltaico-Eólico
Sistemas combinados de obtención de energía: - Energía Solar - Energía del Viento
Aplicaciones: Sistemas de Bombeo de Agua
Sistemas de Bombeo de Agua. Para el bombeo de agua en pozos, para aplicación en suministro de
Aplicaciones: Sistemas de Protección Catódica
Sistemas de Protección Catódica. Para la protección de ductos de distribución de Petróleos Mexicanos. Los sistemas se instalan en plataformas elevadas que permite protegerlo del
Aplicaciones: Sistemas Solares para casetas de telefonos
Sistemas Fotovoltaicos para las casetas telefónicas. Para utilizarse en casetas telefónicas de emergencia en carreteras y regiones rurales, donde resultaría muy costoso llevar cableado eléctrico a estos lugares.
Aplicaciones: Plantas Solares para Telesecundaria via satelite
Plantas Solares para Telesecundaria. Para Sistemas receptoras por vía satélite, en escuelas de las regiones rurales donde no hay energía eléctrica.
Aplicaciones: Plataformas Marinas
Sistemas Fotovoltaicos para las Plataformas Marinas de Pemex. Para abastecimiento de energia en los Sistemas de Rehabilitación, e Iluminación de Helipuertos.
Aplicaciones para C.F.E.
1.- Telecomunicaciones 2.- Señales de Aviso 3.- Interruptores de Seccionalización Remotos en Líneas de Transmisión 4.- Protección Catódica 5.- Monitoreo Remoto 6.- Iluminación Exterior 7.- Electrificación Rural
Otras aplicaciones: 1.- APLICACIONES PROFESIONALES Repetidores de Radiocomunicación Estaciones Meteorológicas Gasoductos, oleoductos, plataformas marinas. Señalización de cruces de ferrocarriles con carreteras Señalización de Emergencia en carreteras Señalización marítima de Boyas, muelles, etc. 2.- APLICACIONES SOCIALES Y COMUNITARIAS Centros de Salud en comunidades rurales Plantas Potabilizadoras de agua Bombeo de agua Escuelas apoyadas con televisión Radiotelefonía rural Iluminación en áreas públicas 3.- INDUSTRIA AGROPECUARIA Refrigeración de productos pesqueros Riego en invernaderos Iluminación y Bombeo de agua en granjas avícolas 4.- USO DOMESTICO
Características y Ventajas: CARACTERÍSTICAS
VENTAJAS
El Sol es la fuente de Energía
- No requiere de Combustible - No contamina
Sin partes móviles, sin calor
- No requiere mantenimiento - Operación Silenciosa
Sin procesos de desgaste
- Vida útil mayor de 20 años - Amortización Largo Plazo
Unidades Modulares de Pequeña Potencia
- Crecimiento a las necesidades
sin obsolecer - Fácil transportación - Rápida instalación
Justificación de su uso
Su costo (inversión + operación) es menor a extender una línea de red eléctrica. Por cada km de línea eléctrica se instala un sistema solar de 3 kW h/día Su costo contra generadores diesel o gasolina es menor en mantenimiento y combustibles vs.
Disponibilidad de Energía Solar a Escala Mundial
4.5 x 1013 kwh
150 km
x
10%
eficiencia
Energía captada
22,500 km 2
0.05% Desiertos Mundiales
=
4.5 x 1012 kwh
Consumo eléctrico mundial en 1978
Disponibilidad de Energía Solar a Escala Nacional
4.5 x 1011 kwh
15 km
x
10%
eficiencia
Energía captada
225 km 2
0.02% Desiertos Nacionales
=
4.5 x 1010 kwh
Consumo eléctrico nacional en 1978
CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN BÁSICA DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
Configuración Básica de un Sistema Fotovoltaico
Módulo Solar
Carga C.D.
Control de carga Inversor C.D./C.A
Banco de Baterías
Carga C.A.
Configuración Básica de un Sistema Fotovoltaico Módulos Solares Conjunto de celdas solares que generan la corriente eléctrica a un voltaj e dado, cuando son expuestos a la luz del sol. Banco de Baterías Conjunto de celdas electroquímicas que recibe y almacena la energía proporcionada por los módulos solares, y fija el voltaje de operación en forma relativamente estable. Control de Carga Mantiene a las Baterías y los equipos alimentados dentro de un rango de voltaje permitido. - Evita que se descarguen las baterías hasta un mínimo, interrumpiendo el suministro en las cargas, - Evita que se sobrecarguen las baterías limitando o interrumpiendo la corriente generada por los módulos solares. Cargas Son los equpos a alimentar, y se conectan al control de carga, los equipos que empleen corriente alterna necesitan de un inversor CD/CA.
CAPITULO 3 CONCEPTOS DE ELECTRICIDAD
Analogía Hidráulica-Eléctrica
Suministro de agua
Generación de energía.
Amp-hora (A-H) Volumen Presión Flujo
Voltaje (V)
Conceptos de Electricidad
PARAMETRO:
UNIDAD:
CORRIENTE VOLTAJE POTENCIA ENERGIA
AMPERES VOLTS WATTS WATTS-HORA
SIMBOLO:
ECUACIONES BÁSICAS: E=WxT W=VxI
Energía = Potencia x Tiempo Potencia = Voltaje x Corriente
I V W W-H
CAPITULO 4 MODULOS SOLARES
Celda Solar La celda solar Es una oblea de Silicio cristalino menor a medio milímetro de espesor obtenida a partir de un lingote de silicio ultrapuro, y tiene propiedades de efecto fotovoltaico. Efecto Fotovoltaico Es la aparición de un voltaje en las terminales de un material cuando es expuesto a la luz.
Estructura de una Celda Solar
Es una oblea de silicio contaminada con pequeñas cantidades de fosforo y boro para crear en su superficie frontal un campo eléctrico interno. Se deposita por impresión en ambas caras un enrejado de plata y/o alumnio que se utilizan como electrodos para extraer la corriente eléctrica generada en el interior de la celda. La celda tiene un recubrimiento antirreflejante para hacerla más oscura y atrape más luz.
Principio de operación de una Celda Solar El 80% de la luz absorbida se convierte en calor, el 20% restante se transfiere la energía a los electrones de los atomos de silicio en forma análoga a una bola de billar cuando choca con otra. Los electrones son liberados del atomo y pueden moverse en la oblea. El campo eléctrico atrae los electrones a la superficie de la celda y se acumularán ahí dando por resultado un voltaje medible exteriormente (efecto fotovoltaico). Los electrones no pueden regresar a la oblea por el mismo camino gracias al campo eléctrico. Cuando se establezca un circuito externo entre la cara superior e inferior de la celda, los electrones fluirán por el mismo y regresar a su posición original (corriente fotovoltaica).
Conexión serie de celdas solares en un módulo solar
Las celdas solares se interconectan en serie para elevar su voltaje, ya que por sí mismas entregan un voltaje demasiado pequeño de 0.5 volts. El agrupamiento de celdas solares, interconectadas entre sí se le denomina como Módulo Solar.
Fabricación de un módulo solar
Conexión serie de celdas solares en un módulo solar
Módulo Solar marca SHELL antes SIEMENS modelo SP75 / SP70. Este módulo solar esta formado por 36 celdas solares interconectadas entre sí, en serie, y
Términos empleados en sistemas fotovoltaicos Celda Solar Es una oblea de silicio cristalino que posee propiedades de efecto fotovoltaico. Módulo Solar Es el agrupamiento de celdas solares, interconectadas entre sí, usualmente en serie, y laminadas entre hojas de plástico y vidrio con un marco de aluminio. Panel Solar Es el agrupamiento de Módulos solares, que son interconectados en serie, para obtener voltajes de salida más altos. Arreglo Solar Es el agrupamiento de Paneles solares, que son interconectados en paralelo, para obtener corrientes de salida más altas.
Tipos de conexión serie y paralelo Conexión serie de módulos solares Cuando una conjunto de módulos solares son interconectados en serie, se sumaran los voltajes generados entre cada módulo, y la corriente permanecerá constante.
Conexión paralelo de módulos solares Cuando un conjunto de módulos solares son interconectados en paralelo, se sumarán las corrientes generadas entre cada módulo, y el voltaje permanecerá constante.
Parámetros de un Módulo Solar Características Eléctricas Típicas:
(Insolación Pico)
Corriente de Corto Circuito (Icc):
3.2 amp.
Corriente de Circuito Abierto (Voc):
19.4 volts
Corriente a la Carga (Iop):
2.9 amp.
Voltaje a la Carga (Vop): Características Mecánicas: Dimensiones: Espesor: Peso:
33 x 130 cm 3.5 cm 4.5 Kg.
Construcción: Frente: Vidrio Templado Antirreflejante Marco: Aluminio Anodizado reforzado Posterior: Película Tedlar/Poliéster/Tedlar (impermeable)
16.3 Volts (25 °C) 14.4 Volts (47°C)
CAPITULO 5
Conceptos Básicos La luz solar Es un conjunto de radiaciones electromagnéticas similares a las ondas de radio pero de mayor frecuencia. La radiación solar Es originada por las reacciones nucleares que ocurren en los material es que forman el Sol. El Sol no emite calor sino radiación. El efecto de esta radiación es el calentamiento de los cuerpos donde la misma incide. Unidades de medición La radiación solar es una forma de energía que se mide en unidades de energía: - El valor instantáneo se mide en Kw / m 2 - El valor acumulado se mide en Kw – H / m 2
En un día despejado con el sol en incidencia perpendicular (medio día) la potencia solar es de:
Máxima radiación solar = 1 Kw / m 2
Potencia Solar – Horas Pico
Conceptos de Radiación Directa, Difusa y Global.
Radiación Directa Es aquella que recibe una superficie directamente del Sol, sin desviarse de su trayectoria. Radiación Difusa Es aquella que recibe una superficie por refracción y reflexión de la luz del Sol en su paso por la atmósfera. Radiación Global Es la energía solar total recibida por una superficie dada por la suma de la radiación directa y radiación difusa.
Trayectoria Solar vs. Latitud del Lugar
Posición del Sol al amanecer, mediodía y atardecer en Latitudes del Meridiano Norte al principio de cada estación.
Mapa de Insolación Global en primavera
Mapa de Insolación con inclinación y horas pico
Aspectos importantes Orientar el módulo hacia el sur
Es importante: Conocer la trayectoria del Sol para evitar sombreados, ya que el sistema no operaría eficientemente. Instalar los módulos orientados hacia el Sur para aprovechar al máximo el recurso solar. Llevar la instalación eléctrica, respetando las polaridades de los equipos, para evitar daños en el sistema. Utilizar las herramientas, equipos y materiales adecuados para la •
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Tipos de Captadores
Hay 2 tipos de captadores solares: 1.- Captadores Fijos. 2.- Captadores con seguimiento solar.
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Angulo Variable a lo largo del año Angulo Polar Variable a lo largo del Día Angulo Polar y Azimutal Variable
CAPITULO 6
Descripción de un sistema fotovoltaico
Formulas para cálculo del dimensionamiento de un sistema Cálculo de Arreglo Solar: M
Ec
x
Fs
(# módulos)
Donde: I m x V m x HP x bat x inv M .- No. de módulos solares. Ec.- Energía consumida por todas las cargas (watts.hora/día) Fs .- Factor de sobredimensionamiento (tipico se sobredimensiona de 10% a 20%, e.d. Fs = 1.1 a 1.2). Im .- Corriente del módulo solar a máxima insolación (amp) Vm .- Voltaje promedio de operación del módulo solar conectado al banco de baterías (tipico Vm=14.3 V). Hp .- Insolación de la localidad expresadas en horas-pico. Ninv .- Eficiencia del inversor CD/CA (típico de 0.8 a 0.9). Nbat .- Eficiencia de la carga de batería (típico de 0.87 a 0.9)
Cálculo del Banco de Baterías:
CB
S
x
Au
V B x F u x F i x inv
( A
h)
Donde: CB .- Capacidad del Banco de Baterías (amp-hora) Ec .- Energía consumida diariamente por los equipos alimentados (watts-hora) Au .- Autonomia deseada en el banco de baterías (días) VB .- Voltaje nominal de operación del banco de baterías Fu .- Fracción de capacidad total de batería (0.5 en baterias de placa delgada y 0.8 de placa gruesa) Fi .- Factor de incremento de capacidad de batería respecto a su valor nominal (1.05 en baterías de placa
CAPITULO 7
Mantenimiento Preventivo - Comprobar cada 3 meses el nivel del electrolito. - Limpiar superficie de módulos con trapo seco. Puede usarse húmedo, pero solo en el amanecer o atardecer para evitar descargas eléctricas, cada 3 meses o más según la experiencia. - Revisar terminales de módulos y conexiones a la intemperie cada 6 meses. - Limpiar y engrasar terminales de baterías anualmente. Revisión visual cada 3 meses. - Comprobar corriente del arreglo, de las baterías y de la carga cada vez que se inspeccione el sistema. Cada 3 a 6 meses. - Comprobar conexiones de tierra del arreglo y del sistema cada 6 meses. - Comprobar funcionamiento de controladores, alarmas, etc. - Comprobar densidad del electrólito en cada celda del banco de baterías (Pb-ácido). - Sustituir baterías cuando comiencen a perder eficiencia, no esperar a que fallen.
Mantenimiento Correctivo
- Sustituir módulos rotos o dañados de sus terminales por unos equivalentes. - Sustituir cables dañados o con efectos de corrosión ambiental. - Sustituir elementos de soporte mecánico con efectos de corrosión ambiental. - Sustituir celdas de baterías dañadas (visualmente) o que no retengan la carga (baja densidad del electrólito).
