Curso Energía Solar CDT_Sesión 4

Área Eficiencia Energética y Construcción Sustentable

Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones Agosto 2014

Parte II: Fotovoltaica

Gabriel Neumeyer Brito

1

Área Eficiencia Energética y Construcción Sustentable

SESIÓN 4 Introducción a la Energía Solar La Energía Solar Fotovoltaica

2

&genda #e#ión ' 1. INT NTR RODUC ODUCC CIN IN ! "! "! EN ENER#$ ER#$! ! SO" SO"!R • (Por )u* a!rovec+ar la energía #olar, • once!to# generale# de energía #olar: -adiación. caracterí#tica#. di#!onibilidad • "e/inicione#: Energía y Potencia %. • • • • •

"! ENER#$! ENER#$! SO"!R &OTO'O" &OTO'O"TT!IC! Introducción a lo# #i#tema# #olare# /otovoltaico# "i/erencia con otra# tecnología# El e/ecto /otoel*ctrico y la# celda# /otovoltaica# $i!o# de #i#tema# /otovoltaico# Princi!ale# com!onente# 0I – ódulo# /otovoltaico# e#t3ndar y a medida

Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

&nte# de em!e4ar • • • •

(otivación, (E5!ectativa#, (Pregunta#, (omentario#,


1!! INT"#$%&&IÓN '(#" )%* A("#+E&,A" -A ENE"./A S#-A"


(Por )u* a!rovec+ar la energía #olar, -a demanda de energía amenta cada día! -a energía solar es • Sstentale e ilimitada: Fuente de energía !r3cticamente in/inita • Entrega atonomía: E# energía 6nacional7. no +ay )ue im!ortarla8 Su u#o reduce la de!endencia energ*tica • -im3ia: no contamina. y #u retorno energ*tico generalmente e# ba9o • $emocrtica: #e !uede utili4ar a toda e#cala. #in nece#idad de grande# inver#ione# ni de no;%+o; de de e5!erto# • .ratita la energía #olar llega !or #i #olar. no #e cobra • Ayda a redcir y resolver la 3rolemtica de la# energía# tradicionale#: re#erva# limitada#. cambio clim3tico. contaminación. generación centrali4ada y vulnerable. etc8 Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

-ecur#o# de di#tinta# /uente# de energía


("e#a/ío# al u#ar la energía #olar, Fuente de energía vol3til. intermitente No e#t3 di#!onible de manera continua o ininterrum!ida No #e !uede almacenar de manera directa Inver#ión inicial m3# alta en com!aración a e)ui!o# tradicionale# 0#in embargo. el co#to o!erativo e# mínimo • Integración en #i#tema# de aba#tecimiento energ*tico e5i#tente#. )ue +an #ido de#arrollado# !ara la# caracterí#tica# de la# energía# tradicionale# • Barrera# legale# y económica#

&#N&E(T#S .ENE"A-ES $E ENE"./A S#-A" "A$IA&IÓN5 &A"A&TE"/STI&AS5 $IS(#NI6I-I$A$ Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

El !otencial energ*tico del #ol

atmósfera Fotones recorren 150 millones de kilómetros &onstante solar S 7 189: ;
El sol

Edad: 4600 millones de años Expectativa de vida: 5500 millones de años más prácticamente una fuente de energía infinita para la tierra y la humanidad


La radiación #olar: de/inicione#

Radiación global = Radiación directa + Radiación difsa Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

La radiación #olar 0irradiancia


a!a de irradiancia


-adiación #olar en +ile 0norte

>?+

-adiación #olar en +ile 0#ur

>?+

-adiación #olar en +ile Durchschnittl.

Región Region

Latitud Breitengrad

Horas de sol por Sonnenstunden/Tag día promedio!

Solare Einstrahlung Radiación glo"al hori#ontal k$h%m&a in kWh/m ²a

in h

I

17°30’ S – 21°39’ S

9,89

193 3,2

II

20°56’ S – 26°05’ S

10,5 4

204 9,5

III

25°17’ S – 29°11’ S

8,70

184 4,9

IV

29°02’ S – 32°16’ S

8,30

180 7,5

RM

32°55’ S – 34°19’ S

6,78

151 5,4

VII

34°41’ S – 36°33’ S

6,58

155 8,7

IX

37°35’ S – 39°37’ S

5,59

130 5,7

XII

48°39’ S – 56°30’ S

3,97

894 ,4

Ham burg

53,63° N

4,27

947

Freiburg

48,00° N

4,77

1129

-egione# con m3# de 1A ?+

-adiación global +ori4ontal anual ( d ' m & % ! $ # a i r a i d l a t n o " i r o ! l a b o l g n ó i c a i d a R

mes

)ran flctación* rva amarilla: promedio Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

Fluctuación de la radiación #olar


-ecorrido del #ol en el +emi#/erio #ur

E

N

S

Pue#ta de #ol




Inclinación y orientación El ánglo de 'nclinación es el ánglo entre el ,lano !ori"ontal - el captador solar


(rientación. El ánglo acimtal es el

ánglo entre el plano del captador con respecto a la dirección !acia el ecador &sr en el !emisferio norte/ norte en el !emisferio sr(.

omo in/luyen la orientación y la inclinación en la ca!tación de radiación #olar orte E1emplo

2este

90 80 70 60 50 40 30 20 10

3r


Este

Radiación solar en 

nglo de inclinación

"e/inición: ndice de a#a &*rea 0& 78 = )rosor de la capa a9rea terrestre e es atravesada por la radiación solar El grosor tiene inflencia sobre la composición del espectro de la l" solar ;ndice de 8asa 79rea: En el ecuador) *+ , 1 En Europa)

*+ , 1-5


E#!ectro #olar


-e#umen • La energía #olar #e !uede utili4ar en todo el mndo • +ile tiene un 3otencial solar e=traordinariamente alto. debido a la alta radiación. e#!ecialmente en el norte del !aí# • La radiación #olar y #u a!rovec+amiento tí!icamente #e determina en ba#e a 3romedios anales >?;@
$EFINI&I#NES ENE"./A G (#TEN&IA


"e/in "e /inici icion one# e#:: 6? y ?+7 ?+7 % (Jue (Jue e# )ue, )ue, • Energía:

• 1K  ?#  M&# M&#  el traba9o traba9o reali4 reali4ado ado !or una una di/eren di/erencia cia de !otencia !otenciall de 1 M 0voltio y con una inten#idad de 1 & 0am!erio durante un #egundo • 1 ?+ ?+  A A  ?# ?#  A A  Kul Kulio io## • 1 ?+  A88 A88  ?# ?#  A. ega9uli ega9ulio# o# • Potencia: • Por lo tanto: • ?  Kulio# < tiem!o  Potencia • ? +ora#  Kulio#  Energía Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

2! -A ENE"./A S#-A" F#T#+#-TAI&A INT"#$%&&IÓN A -#S SISTEHAS S#-A"ES F#T#+#-TAI&#S


Energía #olar /otovoltaica: di/erencia# con otra# tecnología# $ecnología# !ara u#ar la energía #olar: • Fotovoltaica conver#ión directa de lu4 en electricidad mediante #emiconductore# • &S( 0oncent 0oncentra rated ted Solar Po;e Po;er: r: generación de energía t*rmica de alta tem!eratura !ara luego generar electricidad • Solar térmica ca!tación de calor #olar 0ba9a tem!eratura !ara agua caliente 0&S o cale/acción. tem!erado de !i#cina#. etc8 • #tros ocina# #olare#. #ecadore# #ecadore# #olare#. eólico #olar 0c+imenea# #olare#. #i#tema# +íbrido# 0#olar  otra /uente de energía Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

SP y cocina# #olare# oncentración de la radiación #olar !ara obtener alta# tem!eratura#


olectore# !lano# y colectore# de tubo# al vacío !ara generación de calor 0AH a 12H m35imo


E- EFE&T# F#T#E-*&T"I&# G -AS &E-$AS F#T#+#-TAI&AS


El origen de la /otovoltaica En 1OAC. el /í#ico /ranc*# &le5andre% Edmond Bec)uerel ob#ervó el e/ecto /otovoltaico8 &l irradiar do# electrodo# de !latino )ue e#taban en una #olución. ob#ervó una !e)uea corriente el*ctrica8 En ac)uel tiem!o no #e le dio mayor im!ortancia a e#e e/ecto8 Fue &lbert Ein#tein el )ue en 1C' !udo e5!licar el e/ecto /otovoltaico8 Sin embargo. !ermaneció como /enómeno /Q#icio intere#ante #in mayor u#o !r3ctico8 Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

La# !rimera# celda# /otovoltaica# -eci*n con el de#arrollo de la tecnología de lo# #emiconductore# #e !udieron /abricar la# !rimera# celda# /otovoltaica# 01CR' en lo# laboratorio# Bell en EE8 E#ta# celda# ya tenían un rendimiento de D8 Poco de#!u*#. tambi*n en Ka!ón #e !udieron /abricar celda# /otovoltaica# de #ilicio8 Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

El e/ecto /otoel*ctrico •

n /otón de lu4 6gol!ea6 un electrón de la ca!a e5terior

•

El electrón. al aumentar #u energía e#ca!a de #u órbita

•

E#te /enómeno no e# #u/iciente. #e debe !rovocar un cam!o el*ctrico. generando un e5ce#o y una /alta arti/icial de electrone# !or medio de 3tomo# e5trao# al Silicio 0do!a9e P 0/ó#/oro y B 0boro

uando la lu4 #olar incide en la celda #e liberan electrone# )ue !ueden #er atra!ado# !or el cam!o el*ctrico. /ormando una corriente el*ctrica


Electrón libre

Fotón

a!a de #ilicio. 1' electrone# 0negativo

Ncleo del #ilicio 1' !rotone# 0!o#itivo 1' neutrone# 0neutral

elda# /otovoltaica#: on/iguración y /uncionamiento Fotone#

Fotone#

Si un fotón de luz impacta contra el silicio le entrega la suficiente energía a los electrones libres como para saltar de una capa a otra Por estar sometida a una diferencia de tensión exterior se tiene una corriente eléctrica circulando de un lado a otro.

ontacto met3lico Polo negativo n%Silicio 0do!a9e P 1

S n ó i # n e $

nión !%Silicio 0do!a9e B

ontacto met3lico

orriente I Polo !o#itivo -ecombinación


Tueco  carga !o#itiva Electrón  carga negativa

elda# /otovoltaica# $ran#/ormación de la energía de la lu4 en energía el*ctrica

onver#ión de la Energía )ue tran#!ortan lo# Fotone#

elda /otovoltaica. #emiconductor )ue mayoritariamente e# de arena de cuar4o 0Si2

Po#itivo

Negativo +ile: C ?+

$ran#/ormación en energía el*ctrica 0corriente continua

$i!o# de celda# /otovoltaica# de #ilicio &elda de silicio monocristalino Proviene de un #olo cri#tal <o rendimiento 0+a#ta 2D Proce#o de /abricación m3# lento y m3# caro &elda de silicio 3olicristalino Fraccione# de cri#tale# -endimiento de +a#ta un 1UD La m3# comn 0mayor cuota de mercado &elda amorfa >ca3a finaB "e!ó#ito de una ca!a muy delgada de #ilicio #obre vidrio -endimiento  a 1D $ambi*n e5i#ten celda# de ca!a /ina de otro# materiale# 0d$e. IGS. IS y otro#


-endimiento de un celda /otovoltaica cri#talina P = 1000 W/m2 = 100% Rendimiento total

P*rdida# !or re/le5ione# 0a!ro58 AD

CUD

P*rdida# de /otone# muy energ*tico# 022D

URD

P*rdida# de /otone# !oco energ*tico# 0A2D

'AD

P*rdida# en la unión 0 1UD

2D

P*rdida# !or recombinación 0%1AD

1A%2D

Potencia til de una celda: 1A%2D  1A%2?

Silicio: eta!a# de !roducción


$i!o# de celda#


$i!o# de celda# /otovoltaica# #egn el material ri#talino

onocri#talina# Policri#talina#

Silicio

Policri#talina# de ca!a delgada &mor/o

tra# elda# de ca!a /ina

elda# Solare# IS. d$e

om!ue#to

Ga&#. GaSe. = tra#


(uale# #on la# !rinci!ale# caracterí#tica# e#!eciale# de la# celda# y de lo# módulo# FM, • generan corriente continua cuando e#t3n e5!ue#to# a la lu4 • no #e !ueden encender o a!agar • no tienen !ie4a# móvile# • no generan emi#ione# o ruido# • Funcionan a toda e#cala •=

Planta #olar /otovoltaica La Tuayca. I)ui)ue 0A?!


"e/inición: ondicione# E#t3ndar de Prueba 0S$ V Standard Test Conditions: ondicione# de !rueba e#tandari4ada# !ara !oder com!arar celda# y módulo# V Irradiancia

1000 ;
V Tem3eratra de la celda

2J&

V /ndice de masa aérea >AHB

15

V La e/iciencia de la celda e# in/luida !or la tem!eratura V En verano !uede llegar a OH V La !otencia ba9a con el aumento de la tem!eratura V oe/iciente# de tem!eratura:

V c%Si:

%.' bi# %.R D<>

V a%Si:

%.21 D<>

V mc%Si:

%.2O D<>


urva caracterí#tica de la celda /otovoltaica

Potencia en punto A Potencia en MPP

] A [ I a d l e c a l

Potencia en punto C

e d e t n e i r r o C

Tensión de la celda U [V] Potencia P = U x I [W] MPP = Maximum Power Point / Punto de máxima potencia


urva caracterí#tica de la celda FM ba9o di/erente# valore# de irradiancia corriente KAL 4 1000 ;
85 8 25

900 ;
2 15

800 ;
1

100 ;
05 0 0



10

1

20

2

tensiCn K+L Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

urva caracterí#tica de la celda FM cri#talina: de!endencia de la tem!eratura


$*rmino# im!ortante# V Irradiancia K;
V Inten#idad 0!otencia de la radiación #olar #obre una #u!er/icie8 V Energía #olar )ue en !romedio llega a 1 m@ durante un ao V La ma#a de aire )ue atravie#a la lu4 !ara llegar a la tierra y )ue in/luye en el e#!ectro de la radiación8

V ST& &ondiciones de ensayo estndar V (otencia K;3L

V 1?
V TensiCn de circito aierto5 %#& K+L V &orriente de corto circito5 IS& KAL

V $en#ión del módulo #in cone5ión de con#umidore# V orriente del módulo cortocircuitado

V (nto de m=ima 3otencia5 H((

V Punto de traba9o en el cual el !roducto de ten#ión y corriente e# la m35ima !otencia )ue !uede generar el módulo en la# condicione# dada#8 V Lo# valore# el*ctrico# en el !unto de m35ima !otencia V Indican como #e com!ortan lo# valore# el*ctrico# a di/erente# nivele# de tem!eratura V O?
V TensiCn %H(( y corriente IH(( V &oeficientes de Tem3eratra V N#&T tem3eratra normal de o3eraciCn de la celda


Energía #olar /otovoltaica: Pre9uicio# • “Se requiere más energía ara rodu!ir los m"dulos #$ que lo que ueden generar“

V Era verdad !ara lo# !rimero# módulo# V Toy en día. el retorno energ*tico e# de #olo uno a do# ao#. mientra# )ue la vida til e# de 2R ao# y m3# El tiempo que se requiere para que el módulo haya generado la misma cantidad de energía que se ocupó para producir el módulo

• “son mu !aros“ V 1CC: a!ro58 1R8 S" < ?! V 21': a!ro58 28 a A8R S" < ?!

• En muc+o# !aí#e# y a!licacione#. +oy en día lo# #i#tema# /otovoltaico# ya #on com!etitivo#W Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

Evolución de !recio !ara celda# FM cri#talina# 1CUU%21A


"e#arrollo de la !otencia in#talada FM en el mundo 2%21


TI(#S $E SISTEHAS F#T#+#-TAI&#S G ("IN&I(A-ES &#H(#NENTES


Si#tema# Fotovoltaico#

Fuente: "GS


E#)uema de un #i#tema ai#lado 0o//%grid

Fuente: "GS


E9em!lo# de a!licacione# de ai#lada 0o//%grid


E9em!lo# de a!arato# #olare#

Fuente: "GS


E#)uema de un #i#tema /otovoltaico conectado a la red

inver#or

con#umidore#

(otencia $& (otencia A&

X &ontador

am!o FM

-ed el*ctrica !blica


"e/inición: Si#tema# Fotovoltaico# conectado# a red • El SFM /orma !arte de un #i#tema #u!erior 0la red !blica • Flu9o de energía entre el SFM y la red • one5ión a trav*# de un inver#or )ue tiene )ue cum!lir lo# re)uerimiento# t*cnico# de la red 0ten#ión. /recuencia • "ebe cum!lir con la normativa vigente del #i#tema el*ctrico • El inver#or #e guía !or la red • El SFM no tiene ca!acidad de autonomía: #i no #e detecta la red. el inver#or no entrega energía 0#eguridad8 n SFM conectado a red e# #im!lemente una !lanta de generación el*ctrica dentro del #i#tema el*ctrico8 $*cnicamente e# inde!endiente de cual)uier con#umo local Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

$i!o# de #i#tema# Se di#tinguen !or: • Su tecnología • $amao • $i!o de cone5ión mono/3#ica ten#ión • Forma de u#o de la energía: • $i!o de monta9e • Funcione# adicionale#

ca!a /ina. cri#talino. = 1 ?!=81?!= 1?!= cone5ión a ba9a ten#ión. o tri/3#ica. cone5ión a media #olo venta. autocon#umo. venta de e5cedente# en #uelo. en tec+o 0!lano. inclinado. en /ac+ada. = #i#tema bacu! o +íbrido. =

Tay una gran variedad de #i#tema# /otovoltaico# conectado# a red8 omo veremo#. cada caracterí#tica tiene #u /unción y #e tiene )ue con#iderar cuando #e dimen#iona el #i#tema FM Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones

Lo# !rinci!ale# com!onente# de un #i#tema /otovoltaico conectado a red 

       

ódulo# Fotovoltaico# Módulos fotovoltaicos Inver#ore# subestructura inversores E#tructura de monta9e ableado Proteccione# edidor < contador "ocumentación #i#tema de monitoreo 0o!cional om!onente# adicionale#: inver#or de bacu!. batería#. gru!o electrógeno. !antalla de vi#uali4ación. =


om!onente#: lo# módulo# FM


$i!o# de módulo# Estndar 3olicristalino

240-270 Wp

Estndar monocristalino

250-290 Wp

&a3a fina

90 – 160 Wp


HCdlos es3eciales

diversas potencias

A medida

diversas potencias

$i!o# de módulo#: di/erenciación


Fic+a t*cnica e9em!lar de un módulo !olicri#talino

<ente: 7stronerg-











Fic+a t*cnica e9em!lar de un módulo de ca!a /ina 0microcri#talino

<ente: expoer








In/luencia de la tem!eratura #obre la !otencia Comparación módulos de capa fina vs. módulos cristalinos  ?;3 aSi

25 C (STC) °

 ?;3 cSi

 ?;3 OSi

5.00 kWp

5.00 kWp

5.00 kWp

45 C

4.79 kWp (+5.4%)

4.54 kWp

4.70 kWp (+3.5%)

70 C

4.53 kWp (+12.4%)

4.03 kWp

4.33 kWp (+7.4%)

°

°


Pro!iedade# de módulo# e#t3ndar Son de !roducción ma#iva. con caracterí#tica# determinada# dimen#ione# y con/iguracione# !rede/inida#. #egn criterio# de !roducción o!timi4ada8 Limitada# !o#ibilidade# de con/iguración Y Poco# ti!o# de celda# Y on/iguración tí!ica vidrio Z celda Z /olio Y arco de aluminio Y a9a de cone5ión tra#era

ódulo# de#arrollado# !ara in#talación #obre alguna #ube#tructura Y No #irven !ara reem!la4ar una cubierta o /ac+ada 0no #on e#tanco# Y No #e deben in#talar #obre e#!acio# tran#itable# 0#eguridad


E#!eci/icacione# !ara módulo# e#!eciale# &m!lia# !o#ibilidade# de con/iguración !ara la integración ar)uitectónica

• Tecnología celda# cri#talina#. ca!a /ina. = • .rado de trans3arencia o!aco. D de tran#!arencia. degradado. te5tura. = • &aracterísticas de la celda ti!o. tamao. color. e/iciencia. di#tribución =

>alores t?picamente se calclan en base a metros cadrados/ no por $p* Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones


• &om3osiciCn del elemento vidrio Z /olio. vidrio % vidrio. termo!anel. = • Harco material. /orma. color. acabado. #in marco=8 • Ti3o y grosor de vidrio /lotado. tem!lado. laminado. = • $imensiones ca#i ilimitada# y +a#ta a!ro58 2 5 A mm • Forma rectangular. cuadrado. curvado. triangular. = • &aPa de cone=iCn tra#era o lateral. #in ca9a. con o #in conectore#. = Energía Solar Fotovoltaica y Térmica en edificaciones



ódulo# a medida !ara integración ar)uitectónica Estrctra • vidrio Z tedlar o vidrio % vidrio • Su#titución del vidrio convencional • Menta9a adicional  entrega #ombra • E# !o#ible una di#tancia variable entre la# • celda# !ara mayor o menor tran#!arencia • módulo# de ca!a /ina o cri#talino#


on/iguración de módulo# cri#talino# a medida .ariantes de configuración

.idrio / edlar

.idrio / .idrio


.idrio  ermopanel

ódulo# a medida de ca!a /ina 8ódlos de capa fina semi@transparentes &- coloreados(


Integración ar)uitectonica de módulo# FM • BIPM 0Building Integrated P+otovoltaic# • En !rimer lugar #e bu#ca un atractivo di#eo ar)uitectónico. no nece#ariamente el me9or rendimiento • ódulo# a medida )ue cum!len varia# /uncione#. #u#tituyendo materiale# convencionale# como el vidrio. elemento# de #ombreado. elemento# de decoración 0!iedra. etc8 • &dicionalmente. e#to# nuevo# elemento# de con#trucción generan electricidad


Funcione# adicionale# de lo# elemento# /otovoltaico# integrado# en edi/icio# • Incremento del valor y rendimiento tra# 2 ao# • Mida til de 2 a ' ao# • Pre#tigio adicional •

-educción de lo# co#te# de o!eración

• Protección contra la intem!erie • Protección #olar • Protección antide#lumbrante • &i#lamiento ac#tico • &i#lamiento t*rmico • Su#titución de un elemento de relleno

•

&morti4ación /inanciera #egn co#to de energía y radiación #olar del lugar


Producción de energía en /unción de la orientación y la inclinación Edi/icio# di#!onen de grande# #u!er/icie# en #u envoltura. a!ta# !ara la !roducción de energía /otovoltaica8 La orientación e inclinación de lo# elemento# /otovoltaico# no nece#ariamente #e determinan #olo en ba#e a la m35ima generación de energía8 $ambi*n #e !ueden con#iderar en /unción de la# caracterí#tica# del edi/icio8


E9em!lo# de a!licacione# de cone5ión a red


E9em!lo# de a!licacione# de cone5ión a red


In#talacione# e#!eciale#: integración en /ac+ada#


In#talacione# e#!eciale#: tec+o de módulo# FM a medida


In#talacione# e#!eciale#: /ac+ada de ca!a /ina #emitran#!arente


Curso Energía Solar CDT_Sesión 4

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