Curso Técnicos Instaladores de SFVI 2010

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Sistemas Fotovoltaicos Conectados a la Red

Notas para Curso de Técnicos en Sistemas Fotovoltaicos Interconectados a la Red elaborado por el Instituto de Investigaciones Eléctricas .

© 2010 Instituto Instituto de Investigacion Investigaciones es Eléctricas Eléctricas . Prohibida Prohibida su reproducci reproducción ón parcial parcial o total por cualquier medio sin permiso expreso del Instituto de Investigación Eléctricas .

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Notas para Curso de Técnicos en Sistemas Fotovoltaicos Interconectados a la Red elaborado por el Instituto de Investigaciones Eléctricas .

© 2010 Instituto Instituto de Investigacion Investigaciones es Eléctricas Eléctricas . Prohibida Prohibida su reproducci reproducción ón parcial parcial o total por cualquier medio sin permiso expreso del Instituto de Investigación Eléctricas .

Contenido

Contenido Contenido..............................................................................................................................iii Lista de Figuras .................................................................................................................viii Lista de tablas......................................................................................................................xii Introducción ..........................................................................................................................1 Capítulo 1...............................................................................................................................2 La tecnología fotovoltaica.....................................................................................................2

1.1 Fundamentos de la energía fotovoltaica.......................................................................2 1.1.1La radiación solar en la superficie de la tierra.................. tierra............................ .................... ..................... ..................... ..................... ...........................3 ................3

1.1.1.1Espectro luminoso..................... luminoso............................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ..................... ....................3 ..........3 1.1.1.2Masa de aire.................... aire............................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..............................4 ....................4 1.1.1.3Irradiancia solar global .................... ............................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... .................................5 ......................5 1.1.1.4Irradiancia solar directa .................... ............................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ...............................5 .....................5 1.1.1.5Irradiancia solar difusa ..................... ............................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... .................................5 ......................5 1.1.1.6Medición de la irradiancia........................ irradiancia.................................. .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..........................7 ...............7 1.1.1.7Efecto fotovoltaico....................... fotovoltaico................................. ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... .....................................8 ...........................8

1.2 Fundamentos de la tecnología fotovoltaica..................................................................9 1.2.1Celdas, módulos y arreglos FV........................ FV.................................. .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................................10 .......................10 1.2.2El sistema fotovoltaico........................ fotovoltaico................................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... ...................................10 .........................10 1.2.3Tecnologías de celdas FV .................... .............................. .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..............11 ....11

1.3 ¿Qué es un sistema FV conectado a la red eléctrica?.................................................13

1.3.1Medición de la energía..................... energía............................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... ............................14 ..................14 1.3.2Sistemas de almacenamiento .................... .............................. ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ...................15 .........15

1.4 Tipos de sistemas FV conectados a la red .................................................................16

1.4.1Sistemas dispersos ..................... ............................... .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ...................................16 ........................16 1.4.2Estaciones centrales ..................... ............................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... ...............................16 .....................16 1.4.3Implicaciones técnicas....................... técnicas................................. .................... ..................... ..................... ..................... ..................... .................... ..................... ..................... .................17 .......17

1.5 Ámbito internacional ................................................... .......................................................................................... ............................................18 .....18

Capítulo 2.............................................................................................................................21 Fundamentos en energía energía eléctrica eléctrica en SFVI......................................................... .............21 ....... ......21

2.1 Descripción de parámetros eléctricos.........................................................................21

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2.2 Concepto de generador, medio conductor y carga.....................................................22 2.2.1El generador eléctrico ..........................................................................................................................23 2.2.2El medio conductor................................................................................................................................23 2.2.3La carga eléctrica..................................................................................................................................23

2.2.3.1Cargas lineales .........................................................................................................................................24 2.2.3.2Cargas no lineales ....................................................................................................................................24

2.3 Circuitos de corriente directa (CD) ...........................................................................24 2.3.1Potencia eléctrica en CD......................................................................................................................25 2.3.2Fuentes de corriente y voltaje...............................................................................................................25

2.4 Circuitos en corriente alterna (CA) ...........................................................................26

2.4.1Valor eficaz (RMS)................................................................................................................................26 2.4.2Impedancia ............................................................................................................................................27 2.4.3Reactancias............................................................................................................................................27 2.4.4Conceptos de potencia eléctrica en CA ...............................................................................................27

2.4.4.1Potencia activa..........................................................................................................................................28 2.4.4.2Potencia reactiva.......................................................................................................................................28 2.4.4.3Potencia aparente......................................................................................................................................28 2.4.4.4Potencia de distorsión ..............................................................................................................................28 2.4.4.5Armónicas.................................................................................................................................................29 2.4.4.6Factor de potencia.....................................................................................................................................29

2.5 La red eléctrica del SE Mexicano..............................................................................29 2.5.1Suministro eléctrico ..............................................................................................................................29 2.5.2Sistema de distribución .........................................................................................................................29

2.5.2.1Topología del sistema de distribución en baja tensión............................................................................30

2.5.3Conceptos elementales de puesta a tierra.............................................................................................32

2.5.3.1¿Por qué es importante el sistema de tierras?..........................................................................................32

2.6 Clasificación básica de SFVI residenciales................................................................33 2.6.1SFVI con acondicionamiento de potencia centralizado ......................................................................34 2.6.2SFVI modulares.....................................................................................................................................38

Capítulo 3.............................................................................................................................40 Inversores.............................................................................................................................40

3.1 Tipos de inversores para SFVI .................................................................................40 3.1.1Clasificación por configuración del SFVI............................................................................................40

3.1.1.1Inversores centrales..................................................................................................................................41 3.1.1.2Inversores string ......................................................................................................................................42 3.1.1.3Inversores integrados al módulo y multi-string.......................................................................................42 3.1.1.4Micro-inversores.......................................................................................................................................42

3.1.2Clasificación por tipo de inversores.....................................................................................................42

3.1.2.1Clasificación de acuerdo al parámetro modulado....................................................................................44 3.1.2.2Clasificación de acuerdo a la configuración del circuito de potencia.....................................................45

3.2 Condiciones operacionales a considerar.....................................................................47 3.2.1Rango de voltaje operacional de CD....................................................................................................47 3.2.2Rango de voltaje operacional de CA y de frecuencia..........................................................................48

Contenido

3.2.3Ambiente operacional............................................................................................................................49 3.2.4Alimentación del circuito de control del inversor................................................................................50

3.3 Requerimientos de los inversores para SFVI.............................................................50

3.3.1Seguimiento del punto de máxima potencia (PMP) ............................................................................51 3.3.2Bajo nivel de distorsión armónica........................................................................................................51 3.3.3Protecciones...........................................................................................................................................51 3.3.4Alta eficiencia con carga nominal y parcial ........................................................................................51 3.3.5Factor de potencia mayor a 0.9 ...........................................................................................................52 3.3.6Aislamiento eléctrico entre el generador y la red ...............................................................................53 3.3.7Interferencia electromagnética (IEM) .................................................................................................53 3.3.8Soportar picos de voltaje transitorios y señales de control de la red..................................................53 3.3.9Otras características deseables del inversor .......................................................................................54

3.3.9.1Operación automática...............................................................................................................................54 3.3.9.2Manejo de sobrecarga ..............................................................................................................................54 3.3.9.3Detección de fallas a tierra.......................................................................................................................54 3.3.9.4Bajo nivel de ruido audible .....................................................................................................................54 3.3.9.5Instrumentación adecuada, operación simple .........................................................................................55

3.4 Estatus actual de la tecnología....................................................................................55

Capítulo 4.............................................................................................................................57 Implicaciones técnicas de la interconexión y estrategias de solución ........................ ....57

4.1 Distorsión armónica ..................................................................................................57 4.1.1Generación de distorsión armónica en el sistema de potencia............................................................58 4.1.2Impacto de los SFVI .............................................................................................................................58

4.2 Factor de potencia......................................................................................................59

4.2.1Control del FP en inversores autoconmutados ....................................................................................59

4.3 Fluctuación de voltaje ...............................................................................................60

4.3.1Efecto de los generadores distribuidos ................................................................................................60

4.4 Respuesta a situaciones de falla ................................................................................61 4.5 Condición de operación en “modo isla” (islanding)..................................................62 4.6 Análisis de la especificación técnica CFE-G100-04 .................................................62

4.6.1Estructura de la especificación técnica de CFE..................................................................................63 4.6.2Conclusiones ........................................................................................................................................71

Capítulo 5.............................................................................................................................74 Componentes del sistema y su instalación........................................................................74

5.1 Componentes del Sistema..........................................................................................74 5.1.1Generador FV........................................................................................................................................74

5.1.1.1 Módulo FV...............................................................................................................................................74

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5.1.1.2 Recomendaciones en características eléctricas del MFV.......................................................................75 5.1.1.3 Identificación del producto ....................................................................................................................76 5.1.2Inversor para interconexión a red.........................................................................................................77

5.1.2.1 Selección del inversor..............................................................................................................................77 5.1.2.2 Protecciones propias del inversor ...........................................................................................................78 5.1.2.3 Etiqueta de datos técnicos.......................................................................................................................79

5.1.3Balance del Sistema...............................................................................................................................80

5.1.3.1 Lado de CD..............................................................................................................................................80 5.1.3.2 Lado de CA..............................................................................................................................................90

5.2 Instalación eléctrica....................................................................................................97 5.2.1Documentación preliminar....................................................................................................................97 5.2.2Arreglo FV ............................................................................................................................................97

5.2.2.1 Desembalaje y manejo del módulo ........................................................................................................97 5.2.2.2 Precauciones de seguridad para la instalación de módulos ...................................................................98

5.2.3Ramas y cajas de combinación.............................................................................................................99 5.2.4Cableado de CD ...................................................................................................................................99 5.2.5Inversor, cableado de CA e instalación..............................................................................................101

5.2.5.1 Criterios para el montaje del inversor ..................................................................................................101 5.2.5.2 Conexiones eléctricas............................................................................................................................101

5.2.6Marcado del sistema............................................................................................................................105 5.2.7Monitoreo remoto................................................................................................................................105 5.2.8Puesta en marcha e inspección final...................................................................................................106 5.2.9Traspaso del SFVI al cliente...............................................................................................................106

5.3 Instalación Mecánica................................................................................................107

5.3.1Estructuras y soportes.........................................................................................................................107

5.3.1.1 Montaje en anaqueles............................................................................................................................108 5.3.1.2 Montaje en poste....................................................................................................................................108 5.3.1.3 Montaje en tierra....................................................................................................................................108 5.3.1.4 Montaje en el techo...............................................................................................................................109 5.3.1.5 Detalles de cimentación.........................................................................................................................111

5.3.2Optimización del material...................................................................................................................111 5.3.3Espacio óptimo entre filas...................................................................................................................113 5.3.4Detalles del armado de estructuras.....................................................................................................115 5.3.5Ubicación de equipo............................................................................................................................115 5.3.6Detalles de estructuras móviles...........................................................................................................115 5.3.7Integración arquitectónica..................................................................................................................115

5.4 Seguridad ................................................................................................................116

5.4.1Peligros no eléctricos..........................................................................................................................116 5.4.2Prácticas recomendables para un entorno seguro al trabajar con electricidad...............................116 5.4.3Equipo de protección personal (EPP)................................................................................................118 5.4.4Trabajando en techos..........................................................................................................................119 5.4.5Seguridad contra incendio .................................................................................................................120

Capítulo 6...........................................................................................................................122 Operación, mantenimiento y ...........................................................................................122 solución de fallas................................................................................................................122

6.1 Operación del SFVI..................................................................................................122

Contenido

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6.1.1Modo de operación del SFVI (inversor).............................................................................................123

6.1.1.1Metodología para encender y apagar el inversor...................................................................................123

6.1.2Monitoreo del SFVI.............................................................................................................................124

6.1.2.1 Interpretación de la información...........................................................................................................125

6.2 Mantenimiento y servicio.........................................................................................125 6.2.1Usuarios...............................................................................................................................................126

6.2.1.1 Módulos FV ..........................................................................................................................................126 6.2.1.2 Inversor..................................................................................................................................................126

6.2.2Técnico FV...........................................................................................................................................127

6.2.2.1 Prueba y reemplazo de los diodos de derivación ................................................................................127 6.2.2.2 Inversor..................................................................................................................................................127

6.3 Detección de fallas...................................................................................................128 6.3.1Estadística internacional de fallas......................................................................................................128 6.3.2Problemas originados en la red..........................................................................................................129

6.4 Solución de fallas.....................................................................................................130

6.5.1Metodologías prácticas para la detección de fallas...........................................................................130

6.5.1.1 Categoría 1: No hay producción durante el día....................................................................................131 6.5.1.2 Categoría 2: Producción del sistema menor a lo esperado...................................................................132 6.5.1.3 Categoría 3: Producción del sistema es menor que antes.....................................................................133

6.5.2Puntos de prueba para fallas de alta impedancia en el lado de CA..................................................134 6.5.3Metodología para solución de fallas en CD.......................................................................................135

Anexo A..............................................................................................................................138 Terminología FV y acrónimos.........................................................................................138 Anexo B..............................................................................................................................145 Diagrama esquemático de referencia de un SFVI.........................................................145 Anexo C..............................................................................................................................147 Recurso solar en la República Mexicana........................................................................147 Referencias.........................................................................................................................150

Figura 1.1 Espectro luminoso de la luz solar..................................................................... .4 Figura 1.2 Masa óptica del aire a nivel del mar (z = 0m)..................................................5 Figura 1.3 Descripción geométrica de la radiación solar sobre una superficie arbitrariamente inclinada y orientada................................................................. ...............6 Figura 1.4 Posición relativa del sol......................................................................................6 Figura 1.5 Variación del valor de la irradiancia a lo largo de un día.................... ..........7 Figura 1.6 a) Piranómetro, b) Pirheliómetro, c) Piranómetro sombreado.....................8 Figura 1.7 Estructura de una celda FV............................................................ ...................9 Figura 1.8 a) Celdas FV, b) Módulo FV, c) Arreglo FV..............................................10 Figura 1.9 Diagrama de bloques típico de un sistema de generación FV (las flechas indican el sentido del flujo de energía entre subsistemas)............................................................11 Figura 1.10 Diagrama de bloques de un sistema FV conectado a la red.......................14 Figura 1.11 Configuraciones alternativas para medición de energía: a) Medidor de lectura neta, y b) Tres medidores. .................................................................................................15 Figura 1.12 Potencia (MW) acumulada FV instalada por aplicaciones (1992-2008). 19 Figura 1.13 Potencia FV instalada por aplicaciones (%), los tonos azules representan aplicaciones de SFV aislados y los tonos rojos, amarillo y anaranjados representan SFVI (2008). ..................................................................................................................................20 Figura 2.1 Elementos que forman un circuito eléctrico de SFVI...................................23 Figura 2.2 Diagrama esquemático de un circuito de CD básico.....................................25 Figura 2.3 Fuentes de voltaje (a) y de corriente (b); ideal y real, respectivamente... ..25

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Figura 2.4 Forma de onda senoidal del voltaje de CA; voltaje pico y RMS.................26 Figura 2.5 Diagrama esquemático de un circuito de CA básico.....................................26 Figura 2.6 Diagrama fasorial de las potencias eléctricas de un circuito de CA............28 Figura 2.7 Banco de transformación en Delta Abierta, en colonias Viejas de Mexicali; físicamente (a), y su diagrama esquemático (b)...............................................................31 Figura 2.8 Configuración Típica de Transformadores de Distribución en colonias Recientes de Mexicali con Conexión Monofásica y Tap Central en Secundario; físicamente (a), y diagrama esquemático (b)..................................................................................................32 Figura 2.9 Diagrama eléctrico de un sistema residencial con acondicionamiento de potencia centralizado y generador FV aterrizado...........................................................................35 Figura 2.10 Diagrama eléctrico de un sistema residencial con acondicionamiento de potencia centralizado y generador FV flotante........................................................ ........36 Figura 2.11 Configuración básica de sistemas residenciales a).- Con acondicionamiento de potencia centralizado y b).- Sistemas modulares.............................................................38 Figura 3.1 Clasificación de inversores por configuración del SFVI...............................41 Figura 3.2 Clasificación de tipos de inversores................................................................43 Figura 3.3 Proporción de esquemas de control en inversores........................................45 Figura 3.4 Configuraciones básicas del circuito de potencia: a).- Puente 1 , y b).- Puente 3 ..........................................................................................................................................46 Figura 3.5 Porcentaje de ambientes en instalaciones para inversores FV....................49 Figura 3.6 Suministro de energía para el circuito de control en inversores.................50 Figura 3.7 Curvas de eficiencia: a) Inversor Ecopower® [25], b) Inversores Solcon [16]... .52 Figura 4.1 Interfaz de un inversor con el sistema de potencia. .....................................58 Figura 4.2 FP vs. potencia de salida, inversor Solwex Modelo 1065 [16]......................60

Figura 4.3 Diagrama unifilar de un sistema de potencia con generadores distribuidos.62 Figura 4.4 Mapa conceptual de la especificación CFE G0100-04 [7]............................63 Figura 4.5 Localización de los interruptores de desconexión con la red, responsabilidad del usuario..................................................................................................................................65 Figura 4.6 Medios de desconexión para los equipos de un SFV.....................................68 Figura 4.7 Puesta a tierra de SFVI (sistema y equipos)..................................................69 Figura 4.8 Verificación del estado Satisfactorio (S) o No Satisfactorio (NS) para interconectar un SFVI [7]..................................................................................................71 Figura 5.1 Cable tipo USE-2..............................................................................................80 Figura 5.2 Falla a tierra en un generador FV aterrizado, sin diodos de bloqueo: a) Diagrama del generador, b) Potencia disipada en el módulo “X”.................................83 Figura 5.3 Daño ocasionado por descarga atmosférica en barra de tierra...................85 Figura 5.4 Esquema de protecciones para sobrevoltajes y descargas atmosféricas.+. .87 Figura 5.5 Puesta a tierra de un SFVI tipo residencial (sistema y equipos). ...............89 Figura 5.6 Localización de los interruptores de desconexión con la red.......................92 Figura 5.7 Método 1 de conexión de tierra de circuitos de CD y de CA.......................94 Figura 5.8 Método 2 de conexión de tierra de circuitos de CD y de CA.......................94 Figura 5.9 Punto de interconexión en un sistema residencial: a) Del lado de la línea; b) Del lado de la carga....................................................................................................................96 Figura 5.10 Cableado de un circuito fuente en un arreglo FV: a) Incorrecto; b) Correcto. 98 Figura 5.11 Parte trasera de un MFV con cables de interconexión integrados............99 Figura 5.12 Principales conexiones del inversor........................................... .................102 Figura 5.13 Ejemplo de una configuración de voltaje de entrada de un inversor... .103

Figura 5.14 Configuraciones típicas de interconexión de inversores FV a la red eléctrica [38]. ....................................................................................................................................104 Figura 5.15 Ejemplo de cableado para la configuración de voltaje de salida de un inversor FV.......................................................................................................................................104 Figura 5.16 Montaje en poste de GFV de distintos tamaño.......................................... 108 Figura 5.17 SFV con montaje en tierra..........................................................................108 Figura 5.18 Montaje de SFV directo en el tejado..........................................................110 Figura 5.19 Montaje de SFV en anaquel fijo.................................................................110 Figura 5.20 Montaje de SFV sobre tejado con separación...........................................111 Figura 5.21 Montaje con lastre........................................................................................111 Frgura 5.22 Montaje de módulos en posición vertical resulta en el uso más eficiente del material..............................................................................................................................112 Figura 5.23 La instalación en posición horizontal duplica el número de postes y longitud de riel.......................................................................................................................................113 Figura 5.24 Con rieles en paralelo con los apoyos y módulos en orientación horizontal, se hace difícil soportar correctamente los módulos como lo especifica el fabricante... ..113 Figura 5.25 Carta solar de Mexicali, B.C., en la imagen se señala el ángulo del sol más bajo del año que llega a proyectar sombra en el arreglo........................................ ...............114 Figura 5.26 Vista lateral de dos filas de arreglos FV donde se proyecta la distancia mínima. .............................................................................................................................................114 Figura 5.27 Proyecto de SFV integrado al edificio “Palmenhaus”, Munich, Alemania.116 Figura 5.28 Trabajador instalando un SFV en un techo sin medidas de seguridad adecuadas...........................................................................................................................119 Figura 5.29 Técnico en SFV usando arnés y línea de vida. ......................................... .120 Figura 6.1 Distribución de fallas en un SFVI por componente principal...................128

Figura 6.2 Porcentaje de las razones de fallas en GFV.................................................129 Figura 6.3 Porcentaje de fallas durante la operación continua del GFV....................129 Figura 6.4 Diagrama del lado de CA en un SFVI. Se señala y numera los puntos de prueba para detectar una falla......................................................................................................135 Figura 6.5 Arreglo FV con falla a tierra...........................................................136 Figura 6.6 Arreglo FV con falla a tierra............................................................137

Figura 6.7 Arreglo FV con falla a tierra. ................................................. ....................137

Tabla 1.1 Eficiencias alcanzadas por módulos y celdas FV de diferentes tecnologías. 12 Tabla 2.1 Parámetros eléctricos básicos en un circuito eléctrico...................................22 Tabla 2.2 Tipos de cargas lineales.....................................................................................24 Tabla 3.1 Resumen de rangos de operación de inversores según su tipo......................43 Tabla 3.2 Características de los inversores con control de voltaje y de corriente....... .44 Tabla 3.3 Rangos de voltaje operacional de CD según la potencia del inversor...........48 Tabla 3.4 Rangos de voltaje y frecuencia en distintos países (distribución).................48 Tabla 3.5 Comparación entre tecnologías actuales de inversores para SFVI...............55 Tabla 4.1 Tensiones de servicio para conectar un SFVI.................................................65 Tabla 4.2 Límites de operación de la RD de CFE............................................................66 Tabla 4.3 Límites para disturbios en la red, causados por SFVI...................................66

Tabla 4.4 Equipo de protección del SFVI.........................................................................67 Tabla 4.5 Condiciones de seguridad industrial................................................................69 Tabla 5.1 Tipos de cables estándar y sus aplicaciones.....................................................80 Tabla 5.2 Resistencia para cableado en calibre AWG.................................................... .82 Tabla 5.3 Capacidad de corriente para cables de cobre................................................. .82 Tabla 5.4 Clasificación de protecciones contra descargas atmosféricas en SFVI.........86 Tabla 5.5 Regla de dedo para cableado en CD...............................................................100 Tabla 5.6 Matriz de evaluación para montaje de GFV directo o separado................113 Tabla 5.7. Reacción del cuerpo humano según la magnitud de corriente eléctrica [38].117 Tabla 5.8. Equipo de protección personal del especialista técnico en SFVI. ..............118 Tabla 5.9 Modos de operación de un inversor de interconexión a la red en general. 123

ntroducción Desde 1995, a tra través de de la Ger Gere encia de En Energías No Co Convencionales (GENC GENC), el IIE ha lle llevad vado o a cabo cabo diferent diferentes es proyect proyectos os rel relac acion ionado adoss con con Sistem Sistemas as Fotov Fotovolt oltaic aicos os Interco Interconec nectad tados os a la Red Eléctri Eléctrica ca (SFVI SFVI) en México México, lo cual le ha

permit permitido ido obten obtener er una expert expertis is sufic suficien ientem tement ente e sólid sólida a y ma madur dura a respe respecto cto a la tecn tecnol olog ogía ía foto fotovo volt ltai aica ca (FV) y su inte intera racc cció ión n co con n la red red eléc eléctr tric ica a del del Sist Sistem ema a Eléctric Eléctrico o Mexicano Mexicano. Tale Taless proyectos proyectos han sido estratégic estratégicos os puesto puesto que su alcance alcance no ha sido sido sólo sólo la part parte e técn técnic ico o-cien cientí tífi fica ca y de inve invest stig igac ació ión n, sino sino tamb tambié ién n la parte parte normat normativa iva y de capaci capacitac tación ión, con con el propós propósito ito de genera generarr siner sinergia gia para para aprovech aprovechar ar adecuada adecuadamente mente, como como sucede sucede en países países desarro desarrollado lladoss líderes líderes en la tecnol tecnologí ogía a FV en otras otras latitu latitudes des del mundo mundo, el vasto vasto recur recurso so solar solar que que recibe recibe la Repú Re públ blic ica a Mexi Mexica cana na. Sobr Sobre e el tema tema de ca capa paci cita taci ción ón, la GENC GENC tien tiene e clar clara a la importancia y el gran reto que implica la capacitación oportuna de los actores relacionadas con la generación y uso de la energía eléctrica proveniente de los SFVI SFVI en nues nuestr tro o país país, de tal tal ma mane nera ra que que esto esto prom promue ueva va y faci facili lite te el ac acce ceso so sistemático y ordenado a los grandes beneficios que la generación fotovoltaica aporta aporta en los esquemas esquemas de generaci generación ón distribuida distribuida; tanto tanto para los usuarios usuarios, como como para para la red elé eléctr ctrica ica y las instit instituci ucione oness regul regulado adoras ras. Benefi Beneficio cioss adicio adicional nales es por supuesto a la consabida protección del medio ambiente . En México México el escenari escenario o está está dado dado. A partir partir de los últimos últimos dos años se cuent cuenta a ya con co n una esp espec ecif ific ica ación ión téc técnica ica de CFE [7], con los los resp espec ecti tivo voss modelo deloss de cont co ntra rato to de inte interc rcon onex exió ión n para para SFVI SFVI hast hasta a por por 30 kWp kWp y hast hasta a por por 500 KW para para gene genera raci ción ón co con n otra otrass fuen fuente tess de ener energí gías as reno renova vabl ble e, adem además ás de la disp dispen ensa sa particula particularr para SFVI SFVI (promovid promovida a por la Comisión Comisión Regulador Reguladora a de Energía Energía y la CFE ) para que el KWh generado por dicha fuente cueste igual que el vendido por la CFE, aunado aunado todo ello a la inquietud inquietud de la iniciativa iniciativa pública pública y privada privada de invertir invertir en tecn tecnol olog ogía ía FV. En co cons nsec ecue uenc ncia ia, el IIE IIE en en 2005 gene generó ró ma mate teri rial al espe especí cífi fico co para para fines fines de capaci capacitac tación ión en SFVI SFVI, el cual cual ha permiti permitido do capaci capacitar tar hasta hasta la fecha fecha, en divers diversas as partes partes de la repúbl república ica, a tomado tomadores res de decis decision iones es (en divers diversas as áre áreas as tanto tanto técnic técnicas as como como no técnic técnicas as) intere interesa sados dos en la aplica aplicació ción n de la tecnol tecnologí ogía a FV en México. Final inalm mente ente, tom tomando ndo en cuent enta la imp importa ortanc ncia ia relev elevan antte que que tien tiene e la participación clave del cuerpo técnico en la proliferación exitosa de los SFVI en México México, el IIE consc conscien iente te de ell ello o y respal respalda dado do con con lo reportad reportado o por la curva curva de apre aprend ndiz izaj aje e de los los país países es líde lídere ress en la ac actu tual alid idad ad, ha prep prepar arad ado o el pres presen ente te Curso Curso de Capacitació Capacitación n para Técnicos Técnicos en SFVI basándos basándose e en su expertis expertis. El curso está está orie orient ntad ado o a SFVI SFVI de pequ pequeñ eña a esca escala la y tien tiene e por por obje objeti tivo vo en el pers person onal al técnic técnico o, desarr desarroll ollar ar o compl compleme ementa ntarr habili habilida dades des teóric teórico o-prá prácti ctica cass tanto tanto para para realizar realizar este tipo de instalacione instalacioness, como como para detectar detectar y solucion solucionar ar fallas.

1

2


apítulo Normal Norm alme ment nte e los los co cost stos os indi indire rect ctos os de las las tecn tecnol olog ogía íass de gene genera raci ción ón conv co nven enci cion onal al son son om omit itid idos os en los los anál anális isis is ec econ onóm ómic icos os, pero pero es un hech hecho o que que éstos son cuantiosos y finalmente se tienen que pagar en forma de programas para reducir el impacto ambiental y con el deterioro de la calidad de vida de la soci socied edad ad. La impl implem emen enta taci ción ón e impl implan anta taci ción ón de tecn tecnol olog ogía íass de ener energí gías as reno renova vabl bles es adem además ás de tene tenerr un sent sentid ido o ec ecol ológ ógic ico o tien tiene e sent sentid ido o en el plan plan económico. Algu Alguno noss país países es euro europe peos os, Japó Japón n y los los Esta Estado doss Unid Unidos os de Amér Améric ica a (EUA EUA) entr entre e otros otros, han han establ estableci ecido do program programas as fotovo fotovolta ltaico icoss (FV) de gran escala escala que tienen tienen como como base de operacio operaciones nes e implement implementació ación n su territorio territorio, pero que contempla contemplan n la diseminació diseminación n de la tecnolog tecnología ía en todo el mundo, particul particularmen armente te en países países en vías vías de desa desarr rrol ollo lo, co como mo Méxi México co. En Espa España ña y Alem Aleman ania ia la prod produc ucci ción ón de elec electr tric icid idad ad co con n sist sistem emas as foto fotovo volt ltai aico coss inte interc rcon onec ecta tado doss a la red red eléc eléctr tric ica a conven convencio cional nal (SFVI SFVI) es al día de hoy una una opción opción bastant bastante e madura madura, en razón razón de los beneficios que aporta tanto al usuario como a la red . El interés de algunos países hacia la tecnología FV obedece a varios factores . Por un lado sus costos han declinado significativamente en los últimos años y su efici eficien enci cia a se ha incr increm emen enta tado do de maner manera a impo import rtan ante te. Po Porr otra otra parte parte las las econom eco nomías ías má máss sólid sólidas as recono reconocen cen la necesi necesidad dad de dismin disminuir uir su depend dependenc encia ia energ energéti ética ca de los combus combustib tibles les fósile fósiless. Otra Otra consi consider derac ación ión import important ante e y que que ha sido sido ac acti tiva vame ment nte e prom promov ovid ida a por por grup grupos os soci social ales es es el co cost sto o ec ecol ológ ógic ico o de producir energía eléctrica por medios convencionales . Porr lo ante Po anteri rior orme ment nte e plan plante tead ado o, es rele releva vant nte e la co comp mple leta ta asim asimil ilac ació ión n de la tecnol tecnologí ogía a FV, espec específi ífica camen mente te aquel aquella la que interac interactúa túa con la red eléctric eléctrica a, ya que que de ell ello o depend depende e el forma formarr un criterio criterio técnico técnico propio propio y am ampli plio o, a través través de la experienc experiencia ia, que sea fundamen fundamentado tado sobre la teoría teoría básica básica del funciona funcionamient miento o de esta esta tecn tecnol olog ogía ía. Po Porr lo tant tanto o en este este ca capí pítu tulo lo se prop propor orci cion onar ará á tal tal teor teoría ía, con fines de proveer proveer un panoram panorama a general general actualizado actualizado, al técnico especialis especialista ta en SFVI.

fotovoltaica De las las tecn tecnol olog ogía íass de ener energí gías as reno renova vabl bles es hay hay dos dos que que han han alca alcanz nzad ado o la madur ma durez ez neces necesar aria ia para para incurs incursion ionar ar en el mercad mercado o energ energéti ético co. La tecnol tecnolog ogía ía

La Tecnología Fotovoltaica 3

eólica (aerogeneradores) constituye la más competitiva de ellas; sus costos, en sitios de buen potencial eólico, son actualmente similares a los de plantas turbogeneradoras de gas, que generalmente son usadas para generación de la demanda pico. La segunda de ellas es la tecnología FV; existen una serie de aplicaciones terrestres para las cuales ésta representa la opción de generación eléctrica más económica (i.e. electrificación rural, estaciones repetidoras, bombeo rural, señalización, etc.). Los costos directos de esta tecnología aún no compiten con las tecnologías de generación convencional, pero algunas evaluaciones económicas recientes muestran que si se toman en cuenta los costos indirectos de la generación y transmisión de la energía eléctrica, los sistemas FV en aplicaciones conectadas a la red (SFVI) se encuentran cerca de la viabilidad económica . La comercialización de módulos FV para aplicaciones terrestres inició en la primera mitad de la década de los ochentas. El nivel de penetración de esta tecnología en el mercado energético actual no es despreciable, y se espera que el desarrollo acelerado en materia de dispositivos FV, materiales y métodos de fabricación, permitan llevar sus costos a niveles más competitivos en los próximos años. La reducción de los costos y el incremento en las eficiencias seguramente producirá un efecto positivo en el que los mercados se expandirán y ello establecerá las condiciones necesarias para lograr el beneficio de las economías de escala. El éxito comercial de la tecnología FV es aún incipiente, pero el crecimiento del mercado es estable y obedece a varias condiciones. Ésta es una de las formas de generación eléctrica más compatibles con el entorno ecológico; la conversión solar-eléctrica se realiza de manera limpia, directa y elegante; no existen partes móviles. La vida útil de los módulos es de hasta 30 años (aunque existen de 10, 15 y 20 años) y la generación FV no depende de energéticos foráneos, lo que le confiere un alto grado de autonomía .

1.1.1

tierra

La intensidad o potencia de la radiación solar que llega hasta la Tierra depende del espesor de la capa atmosférica que tiene que atravesar antes de alcanzar la superficie terrestre, y de la densidad de componentes moleculares y partículas en suspensión que encuentra en su camino. La masa de aire y la turbiedad son dos factores que a nivel atmosférico influyen en la intensidad con que la radiación solar incide finalmente en la superficie terrestre . Antes de abordar con mayor detalle de los distintos factores, se hace una breve descripción del espectro luminoso para ubicar la banda de interés en los sistemas FV . 1.1.1.1

spectr

luminoso

La luz, sea ésta de origen solar o generada por un foco incandescente o fluorescente, está formada por un conjunto de radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia, agrupadas dentro de un cierto rango llamado espectro luminoso. Las ondas de baja frecuencia del espectro solar (infrarojo ) proporcionan calor, las de alta frecuencia (ultravioleta) hacen posible el proceso de fotosíntesis o el bronceado de la piel. Entre estos dos extremos se encuentran las frecuencias que forman la parte visible de la luz solar. La intensidad de la radiación luminosa varía con la frecuencia. La Figura 1.1 muestra, en forma no detallada, la composición del espectro luminoso.

4


Figura 1.1 Espectro luminoso de la luz solar .

El “color” de la luz solar depende de la composición del espectro de frecuencias. Los fabricantes de focos luminosos, conscientes de este fenómeno, tratan de dar a éstos un espectro de radiación luminosa similar al de la luz solar que llega a la Tierra cuando el sol alcanza la posición del cenit (luz blanca ). La intensidad y frecuencias del espectro luminoso generado por el sol sufren alteraciones cuando la luz atraviesa la atmósfera. Ello se debe a la absorción, reflexión y dispersión que toma lugar dentro de ésta. Los gases presentes en la capa atmosférica actúan como filtros para ciertas frecuencias, las que ven disminuidas su intensidad o son absorbidas totalmente. El proceso FV responde a un limitado rango de frecuencias dentro del espectro visible, de manera que es importante definir el espectro de radiación de la fuente luminosa que se utiliza para evaluar la celda FV. 1.1.1.2

Un factor de primer orden en la atenuación de la radiación es el espesor de la capa atmosférica que la radiación solar atraviesa hasta llegar a la superficie terrestre. El concepto masa de aire (air mass , AM) o masa óptica relativa del aire pretende cuantificar la longitud del camino recorrido por la radiación solar . Este valor depende de la altura solar (α) y de la presión atmosférica (p), la cual depende a su vez de la altura sobre el nivel del mar .

La Tecnología Fotovoltaica 5 SOL

p=0

Límite atmosférico

m>1

m=1

Superficie terrestre a nivel del mar, z =0 ; p = p

o

Figura 1.2 Masa óptica del aire a nivel del mar (z = 0m ).

1.1.1.3

sola

La irradiancia global se define como la radiación solar recibida de un ángulo sólido de 2π estereorradianes sobre una superficie horizontal. La irradiancia global incluye la radiación recibida directamente del disco solar y la radiación celeste difusa dispersada al atravesar la atmósfera . En la irradiancia solar global (Ig) sobre una superficie arbitrariamente orientada un ángulo γ, e inclinada un ángulo β, existen tres tipos de componentes o contribuciones: La componente debida a la radiación solar directa, la componente debida a la radiación solar difusa procedente del cielo y la componente debida a la radiación, normalmente difusa, reflejada por el suelo circundante . 1.1.1.4

sola

ta

Aquella que se recibe del Sol sin haber sufrido ningún cambio de dirección por reflexión o difusión a su paso por la atmósfera. Cuando se hace referencia a la irradiancia solar directa se entiende referida a una superficie plana normal al vector de posición del Sol.

1.1.1.5

adiancia

la

us

Es, por eliminación de la anterior componente, la que se recibe tras haber sufrido cambios de dirección por difusión a su paso por la atmósfera y reflexión por nubes y el entorno circundante (suelo, edificios, obstáculos naturales, etc.). Normalmente estas dos componentes son registradas de manera conjunta, mediante un piranómetro, en lo que se denomina irradiancia solar global (Ig). Las componentes directa (Ib) y difusa (Id) de la radiación solar se relacionan entre si mediante la siguiente expresión:

6


I g

I b

=

cos

θ + I d

donde θ representa el ángulo formado por la normal a la superficie considerada y el vector de posición del sol (ver la Figura 1.3). SOL

Ñ NORMAL AL PLANO INCLINADO NORTE

OESTE SUPERFICIE HORIZONTAL ESTE

SUR PROYECCIÓN DEL VECTOR NORMAL AL PLANO INCLINADO SOBRE EL PLANO HORIZONTAL

Figura 1.3 Descripción geométrica de la radiación solar sobre una superficie arbitrariamente inclinada y orientada .

Con las estaciones, la altura del sol (α) respecto a la horizontal cambia al alcanzar el cenit, tal como se observa en la Figura 1.3. Asimismo, la altura solar respecto a la horizontal varía con la latitud del lugar. La posición del sol puede ser calculada de manera precisa a partir de las relaciones geométricas Sol – Tierra, la latitud local, y el día y hora del año.

Solsticio de invierno

W

S

Equinoccio N

E Solsticio de verano

Observador de cara al sur

declinación de la t ierra = 23° 27'

Figura 1.4 Posición relativa del sol .

Horizonte del observador


Con base en lo anterior, el valor de la irradiancia en un lugar dado depende tanto de las condiciones atmosféricas como de la posición del sol respecto del horizonte. La presencia de nubes incrementa la absorción, reflexión y dispersión de la radiación solar. Las zonas desérticas, dada la carencia de nubes, tienen los mayores valores de insolación en el planeta. Como se puede observar en la Figura 1.4 la posición del sol respecto a la horizontal cambia durante el día y con las estaciones, y con ello el valor de la masa de aire. Esto origina que el valor de la insolación al amanecer y al atardecer, así como en el invierno, sea menor que el de mediodía o el verano. Con el propósito de ejemplificar lo anterior, la Figura 1.5 muestra comparativamente, para un sitio hipotético, la distribución (típica) de la irradiancia solar global en un día despejado para las estaciones de verano y de invierno.

1200

Figura 1.5 Variación del valor de la irradiancia a lo largo de un día .

El término irradiación define la cantidad de energía proveniente del sol que se recibe en un punto determinado del planeta sobre una superficie de 1 m 2 durante un periodo determinado. Las unidades más comúnmente utilizadas para especificar los valores de irradiación son kWh/m 2–día. Si definimos el día solar promedio como el número de horas entre el amanecer y el anochecer durante el cual el sol irradia con una potencia luminosa de 1000 W/m 2; el valor (en horas) del día solar promedio para un sitio determinado es igual al valor de la irradiación promedio diaria. Esta convención simplifica sustancialmente el cálculo de la cantidad de energía eléctrica generada al día por un módulo FV , dado que el estándar en la industria para establecer la potencia pico (Wp) de un módulo FV corresponde precisamente a la potencia generada por éste cuando su superficie recibe una irradiancia de 1000 W/m2 (véase la unidad SOL en el apéndice A). 1.1.1.6

) 2 m / W ( a i c n

El instrumento utilizado para medir la radiación solar procedente de un ángulo sólido de 2π estereorradianes en una superficie plana y un intervalo espectral comprendido entre 0.3 y 3.0 μm se denomina piranómetro. La irradiancia global incluye la radiación recibida directamente del disco solar , como la radiación celeste difusa dispersada al atravesar la atmósfera. La figura 1.6-a muestra el aspecto físico de un piranómetro. Las unidades en las que se mide la irradiancia o potencia luminosa son W/m 2.

8


Figura 1.6 a) Piranómetro, b) Pirheliómetro, c) Piranómetro sombreado.

Estos sensores se utilizan para medir la radiación solar incidente en el plano horizontal o sobre una superficie inclinada respecto a la horizontal y , si se dispone en posición invertida, con el mismo se puede medir la radiación global reflejada. Cuando se requiere solo la componente directa se enfoca al sol un pirheliómetro (ver Figura 1.6-b) con un sistema de seguimiento; y cuando sólo se desea medir la componente difusa de la radiación solar, la componente solar directa se cubre a través de un sistema de pantalla o sombra (ver Figura 1.6-c). Estos piranómetros, normalmente utilizados para medir el recurso solar para aplicaciones FV , emplean como sensor un elemento fotoeléctrico. Debido a que éstos están expuestos permanentemente a todas las condiciones ambientales, el diseño de un piranómetro necesariamente debe ser robusto . En cuanto a su instalación, el lugar de emplazamiento del piranómetro debe ser fácilmente accesible y estar exento de obstáculos por encima del plano del elemento sensor. Si no es posible lograr estas condiciones, el lugar debe hallarse despejado y lo más libre posible de obstáculos que puedan arrojar sombra, cualquiera que sea la época del año. El piranómetro no debe estar próximo a paredes de color claro y otros objetos que pueden reflejar la luz solar sobre él, ni debe exponerse a fuentes artificiales de radiación. En la gran mayoría de los casos una azotea constituye un excelente emplazamiento para la instalación del soporte del piranómetro . 1.1.1.7

fect

fotovoltaico

El término FV se refiere a la tecnología para la conversión directa de energía solar en energía eléctrica. Esta conversión es posible debido al efecto fotoeléctrico, descubierto en 1839 por Edmond Becquerel, un joven investigador francés. Sin embargo, para entender el efecto de la luz sobre la estructura atómica de los materiales, y desarrollar una tecnología que permitiera su aprovechamiento, fueron necesarios dos de los más grandes logros científicos y tecnológicos del siglo XX : la mecánica cuántica y el desarrollo de los materiales semiconductores. El elemento fundamental para la conversión directa de la energía solar en electricidad es la celda FV (Figura 1.7). En su estructura más simple (y la más utilizada comercialmente en la actualidad), las celdas están constituidas por dos capas de material semiconductor: una positiva y otra negativa; de manera que su estructura básica es la de un diodo fotosensible. Cuando las partículas de luz conocidas como fotones impactan en la celda, algunas de ellas son absorbidas por el material semiconductor produciendo un exceso de electrones libres en la


capa negativa. Los electrones libres pueden fluir hacia la capa positiva si existe un circuito externo que les permita el paso . La corriente eléctrica producida por este proceso es proporcional a la densidad de potencia de la radiación incidente en la celda y al área de la misma. El voltaje producido depende de la resistencia del circuito externo, el valor óptimo para celdas de Silicio oscila alrededor de 0.5 V [].

Figura 1.7 Estructura de una celda FV.

1.2

fotovoltaica

Para comprender en su totalidad la generación de energía eléctrica mediante fotovoltaicos, es importante conocer los fundamentos de la tecnología fotovoltaica, a tratar en esta sección. Se iniciara estableciendo lo que es una celda, un modulo y un arreglo FV; los cuales son los elementos principales de un GFV. Posteriormente, se abordara la descripción elemental de un SFVI y de cada uno de sus componentes mediante un diagrama a bloques para una mejor conceptualización. Por otro lado, a pesar de los numerosos intentos de fabricar mejores celdas solares con nuevos y exóticos materiales, el silicio es el semiconductor más utilizado por la tecnología actual en el mercado mundial. El silicio es un elemento muy común en la Tierra, pero se encuentra en estado natural como arena silica (SiO2). Actualmente existen muchos grupos de investigación activos en el campo de la tecnología fotovoltaica alrededor del mundo. Esta área de I +D puede ser dividida en tres áreas: reducir costos en la tecnología de celdas solares actual y aumentar su eficiencia para competir con otras fuentes de energía; desarrollo de nuevas tecnologías basadas en nuevos diseños para celdas solares; y el desarrollo de nuevos materiales para absorber luz y cargar eléctricamente

10


portadores. Finalmente, se dará el panorama general actual de las tecnologías de fabricación de los MFV, presentando un resumen de sus eficiencias y composiciones.

Una celda FV de silicio cristalino tiene menos de 1 mm de espesor y típicamente 10 cm de longitud por lado. Un dispositivo con estas características, expuesto al Espectro Solar Normalizado, es capaz de producir una potencia del orden de 1.5 W con una corriente aproximada de 3 A y un voltaje de 0.5 V. Esta potencia es poco útil para fines prácticos, por lo que las celdas individuales se interconectan en combinaciones serie/paralelo para formar módulos FV, cuyas potencias comerciales oscilan entre 5 y 300 Wp. Para formar los módulos FV , las celdas se interconectan y se encapsulan en una sola unidad utilizando capas de varios materiales (Figura 1.8). El Etil-VinilAcetato (EVA) es una resina transparente a la luz solar y resistente a la radiación UV; éste se usa como material de incrustación y aislante eléctrico. El cristal frontal es de baja reflexividad, protege al módulo de la abrasión y le confiere rigidez (en algunos módulos para aplicaciones especiales este cristal se substituye por un laminado plástico flexible). El laminado de Tedlar y Polímero refleja la luz no absorbida por las celdas con el objeto de mejorar la eficiencia del módulo, a la vez que mejora su resistencia mecánica (existen módulos translúcidos con cristal en ambas caras que se usan como elementos para fachadas de edificios). La mayoría de los módulos comerciales cuentan con un marco de aluminio para mejorar la estabilidad mecánica y evitar la torsión . En el módulo terminado las celdas y sus conexiones se encuentran aisladas eléctricamente y protegidas del medio ambiente, tiene buenas propiedades mecánicas, puede ser rígido o flexible y su vida útil es superior a 20 años. Los módulos a su vez se interconectan entre sí para formar los arreglos FV cuya capacidad va desde unos cientos de Watts hasta varios Megawatts, y cuyo voltaje nominal de salida puede variar entre 12 VCD y 1000 VCD; dependiendo de la potencia en cuestión. Los arreglos se montan en estructuras que permiten orientar su superficie de captación para optimizar la incidencia de la radiación solar.

Figura 1.8 a) Celdas FV, b) Módulo FV , c ) Arreglo FV .

1.2.2


Para utilizar la electricidad producida por un arreglo FV , es indispensable contar en el sistema con elementos que realicen funciones de protección, así como con un subsistema de control. Adicionalmente, es frecuente la necesidad de subsistemas de acondicionamiento de potencia y /o almacenamiento de energía (ver Figura 1.9). A los elementos que conforman estos subsistemas, incluyendo las estructuras de montaje del arreglo se les denomina “balance del sistema”. Subsistema de Control

Arreglo Fotovoltaico

Subsistema de Acondicionamiento de Potencia

Cargas

Subsistema de Almacenamiento

Figura 1.9 Diagrama de bloques típico de un sistema de generación FV (las flechas indican el sentido del flujo de energía entre subsistemas ).

El subsistema de acondicionamiento de potencia se requiere en la mayoría de las aplicaciones; proporciona algunas protecciones a los subsistemas con los que se conecta y puede incluir conversión de voltaje CD/CD y/o CD/CA. El subsistema de almacenamiento sólo es necesario en sistemas FV autónomos (cuando no existe conexión a la red eléctrica convencional). El medio de almacenamiento de energía eléctrica más común son las baterías electroquímicas. En algunos esquemas de generación, el sistema FV puede estar conectado en paralelo con otros generadores; tal es el caso de los sistemas híbridos de energía y los sistemas FV conectados a la red eléctrica. En estos casos, el esquema del sistema de generación eléctrica involucra algunos otros elementos adicionales.

1.2.3 El silicio es el segundo material más abundante en la corteza terrestre, sin embargo, para poder ser utilizado como material base de celdas FV es necesario someterlo a un proceso de purificación y refinación para obtener silicio de calidad grado semiconductor. Existen tres tipos principales de celdas FV obtenidas a base de silicio. El primero y más eficiente es la celda a base de silicio monocristalino. El segundo es la celda fabricada a base de silicio con estructura semicristalina y , en tercero, la celda de silicio amorfo. La tabla 1.1 muestra, a manera de referencia, una clasificación actual representativa de la tecnología comercial . Las celdas de silicio monocristalino son fabricadas a partir de un lingote de silicio monocristalino, producido comúnmente por el método Czochralski , en el cual el lingote es dopado (adición de materiales extraños que modifican su estructura molecular) con Boro durante su proceso de crecimiento para producir un semiconductor del tipo P. Posteriormente el lingote es cortado en obleas con espesores menores a un milímetro y dopadas con Fósforo para convertir una

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cara de la oblea en material tipo N, creando de esta forma una unión semiconductora P-N. Una vez obtenidas las obleas con características P-N se insertan contactos eléctricos a cada lado de esta, de tal forma que la celda puede conectarse a un circuito eléctrico externo y circular una corriente eléctrica al incidir la luz solar sobre ella. Aunque todas las celdas de silicio cristalino tienen elementos en común, modificaciones en los diseños de éstas han mejorado continuamente su eficiencia y han reducido sus costos de fabricación . Mientras las celdas a base de silicio cristalino continúan siendo las más eficientes, las celdas de silicio semicristalino han comenzado a ser de uso más generalizado en virtud de que sus costos de producción son menores. La producción de celdas de silicio semicristalino generalmente inicia con un proceso de fundición, en el que el silicio fundido es vaciado en un molde rectangular. Esto produce un bloque de silicio semicristalino el cual es cortado en obleas siguiendo el mismo proceso descrito para las celdas de silicio monocristalino . No obstante que las celdas producidas con esta tecnología resultan más baratas , sus eficiencias son menores. Una forma de evitar el corte de obleas, en el cual existen pérdidas de material que inciden negativamente en el costo final de la celda, es producir listones de silicio policristalino con ancho y espesor adecuados para formar celdas FV. Los módulos de película delgada se construyen depositando capas de materiales fotosensibles extremadamente delgadas sobre un substrato de bajo costo como puede ser vidrio o láminas de plástico. Con este proceso se utiliza menor cantidad de material semiconductor respecto al necesario para producir celdas de silicio cristalino; en consecuencia, sus costos son menores. La cantidad de mano de obra requerida también es menor, lo que facilita la automatización del proceso de fabricación. Con la tecnología de película delgada se producen módulos completos en lugar de celdas individuales, reduciendo los costos relacionados con la interconexión entre celdas y el proceso de laminación .

Tabla 1.1 Eficiencias alcanzadas por módulos y celdas FV de diferentes tecnologías. Eficienci Eficiencia Construcción del celda desarrollo módulo Estructura Silicio uniforme 24% 13-17% monocristalin Producción industrial - un cristalina o solo cristal Estructura Silicio -cristalina multi Policristalino - visiblemente 18% 11-15% Producción industrial (multidistintos cristalino) cristales Silicio amorfo

Átomos irregularmente acomodados . Tecnología de película delgada

11-12%

5-8%

Producción industrial


Cobre-IndioDiselenio Cadmio Telurio y otros

Tecnología de película delgada, varios métodos de deposición Tecnología de película delgada

18%

10-12%

Producción industrial

17%

9-10%

Lista para entrar a producción

Los módulos de película delgada se obtienen al depositar capas de material en forma secuencial sobre el substrato seleccionado. La primera capa depositada es el contacto eléctrico superior utilizando generalmente una película de óxido metálico, generalmente de Zinc o de Estaño. Posteriormente se aplican varias capas de material semiconductor. Las celdas individuales se forman al inscribir con un láser a través de las capas depositadas. Por último se deposita una capa de metal base que sirve como contacto eléctrico posterior . El proceso de película delgada más desarrollado es a base de silicio amorfo hidrogenado, cuyas propiedades fotoeléctricas se descubrieron en 1974. La eficiencia de módulos comerciales fabricados con este material a principios de los 80's era solamente del 3.5%, mientras que los módulos comercializados últimamente tienen eficiencias del 7%. Su uso más común es en productos de consumo (i.e. relojes, calculadoras, cargadores de baterías, etc). El uso de módulos de silicio amorfo para aplicaciones de potencia ha sido considerado recientemente. Otros materiales para producir módulos de película delgada son el silicio semicristalino, el Telururo de Cadmio, y Diseleniuro de Indio Cobre (CIS). Los módulos de Telururo de Cadmio pueden fabricarse por una variedad de procesos industriales como la electrodeposición y la pirólisis de aspersión, para los cuales no se requieren grandes inversiones de capital. El CIS es un material promisorio por ser altamente absorbente de luz. La adición de Galio a las celdas de CIS ha permitido elevar su eficiencia a valores cercanos al 17%. Las celdas FV fabricadas a base de Arseniuro de Galio son más eficientes que las celdas a base de silicio. Sin embargo esta tecnología tiene algunas desventajas: la disponibilidad de Galio es limitada, lo que en consecuencia lo hace un material caro. Otra desventaja es la naturaleza tóxica del Arsénico. Esto ha motivado a utilizar este tipo de celdas básicamente en sistemas a concentración, donde se requiere un menor número de celdas para producir una potencia determinada.

La expresión “sistema conectado” implica que un sistema de potencia (conformado por un generador independiente, pero que no forma parte del sistema convencional de suministro) y su carga asociada, cuenta también con una acometida de la red eléctrica. Esta acometida permite la alimentación de la carga por ambos generadores o por uno de los dos a la vez. De no contar con el apoyo de la red el sistema sería autónomo. Ahora bien, existen varias posibilidades en cuanto al grado de interacción entre el sistema independiente y

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la red: 1).- sólo una de las dos fuentes puede alimentar la carga a la vez, 2).ambas fuentes en paralelo alimentan la carga, pero no se permite que el generador independiente inyecte potencia en la red y 3).- ambas fuentes en paralelo alimentan la carga, y si la demanda local es menor que la que la capacidad del generador independiente, se permite que la energía excedente sea inyectada en la red y consumida por otras cargas . Cuando la inyección de energía a la red es permitida se dice que el sistema es interactivo con la red. En estas notas, al hablar de un sistema FV conectado a la red o interconectado, se hace referencia a un sistema interactivo. Un caso particular de un sistema interactivo es aquel en el que no existe una carga local y el generador independiente transfiere toda la energía que produce a la red. La Figura 1.10 muestra el diagrama de bloques de un sistema FV conectado a la red (ver anexo A).

1

2

Er +

Efv

Er 3

6 4

kWh

A Ec

5

kWh

1. Generador FV 2. Inversor 3. Carga local 4. Red eléctrica 5. Medidor de energía Suministrada a la red 6. Medidor de energía Suministrada por la red

(a)

Figura 1.10 Diagrama de bloques de un sistema FV conectado a la red.

1.3.1 En el diagrama de la Figura 1.10 se incluyen dos medidores de energía para el sistema. Un medidor de energía suministrada a la red, que registra la cantidad de energía que el sistema inyecta a ésta cuando la potencia generada excede la demanda de la carga local (a medio día por ejemplo). Y un medidor de energía suministrada por la red, que registra la cantidad de energía que la red aporta para alimentar a la carga local, lo cual ocurre en periodos de baja insolación y por las noches, en razón de que los sistemas FV conectados a la red normalmente no cuentan con baterías de almacenamiento. Éste es el arreglo más común, aunque existen algunas variantes dependiendo de la finalidad y características del sistema . En sistemas que no cuentan con carga local solamente se requiere medir la energía inyectada a la red, puesto que no hay suministro alguno por parte de ella; tal es el caso de las estaciones FV centrales. Ahora bien, si el sistema tiene carga local (Figura 1.10) podemos establecer la ecuación de balance de energía si consideramos que la energía que entra al nodo A (punto de interconexión) es igual a la energía que sale de él. Esto aplica para cualquier intervalo de tiempo, porque el nodo A no es capaz de producir ni almacenar energía. El sistema FV sólo produce energía y la carga solamente la consume, pero la red es capaz de suministrarla (signo positivo) o recibirla (signo negativo). Por lo tanto: Efv + Er+ = Ec + ErEc. (1.1)


Si el precio de la energía consumida es igual al precio de la energía inyectada , la opción más económica es usar un sólo medidor de lectura neta en lugar de dos medidores espalda con espalda; es decir, un medidor que gire en sentido positivo cuando el sistema reciba energía de la red y en sentido negativo cuando el sistema inyecte energía a la red (Figura 1.11-a). Ésta pudiera ser la mejor opción para sistemas residenciales en México si se consideran los beneficios que aporta la generación FV local a las compañías suministradoras, y que el impacto económico de pagar la energía inyectada a la red al precio de venta sería despreciable para cualquiera de éstas, además de que no sería necesario incurrir en costos de operación adicionales por conceptos de lectura y facturación porque los procedimientos no tendrían que ser alterados . kWh

(a) Carga

(b)

kWh

kWh

kWh

Carga

Figura 1.11 Configuraciones alternativas para medición de energía: a ) Medidor de lectura neta, y b) Tres medidores.

En el caso de requerirse el monitoreo del comportamiento del sistema FV para fines de investigación o caracterización, no es suficiente el empleo de dos medidores espalda con espalda. Observando la ecuación 1.1 es claro que para conocer el flujo de energía del sistema con detalle se necesitan conocer al menos tres de las cantidades involucradas. En este caso se hace necesario instalar un tercer medidor de energía para registrar la producción del sistema FV (Figura 1.11-b).

1.3.2 El uso de algún medio de almacenamiento (no incluido en la Figura 1.10) confiere a un sistema FV conectado a la red características importantes como la despachabilidad y el manejo de carga para eliminar picos de demanda, y con ello reducir la necesidad de utilizar plantas pequeñas de operación costosa (como las de turbina a gas) para cubrir estos. El empleo de medios de almacenamiento de energía en sistemas FV conectados a red es poco común porque incrementa los costos considerablemente. Normalmente se utiliza la red como medio de “almacenamiento”. Existen varios esquemas de almacenamiento posibles, tales como baterías electroquímicas, masas giratorias, bombeo de agua y aire comprimido, entre otros. Las baterías electroquímicas son el medio preferido en sistemas FV porque sus costos, facilidad de manejo y compatibilidad con los rangos de potencia requeridos, las convierten en la opción más conveniente. En caso de utilizarse una batería o un banco de ellas para almacenamiento, es indispensable el uso de un controlador de carga que es un manejador del banco. Su función principal es permitir la carga hasta el nivel óptimo, evitando la sobrecarga y permitiendo la descarga sólo hasta el nivel mínimo permisible ,

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