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APLICACIONES DE LA TECNOLOGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA COMO OPCIÓN PARA GENERACIÓN
Asociación Colombiana de Ingenieros 1
FOTOVOLTAICA COMO OPCIÓN PARA GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN COLOMBIA
Ing. Johann Hernández Mora Msc. Ph.D (c)
Contenido
Estado del arte energías renovables
Funcionamiento de una Celda Solar
Energía solar
Asociación Colombiana de Ingenieros 2
Tipos de sistemas fotovoltaicos
Sistemas fotovoltaicos interconectados
Generación distribuida
Perspectivas para Colombia
Producción de energía mundial - 2008
Asociación Colombiana de Ingenieros 3REN21 Renewables 2010 Global Status Report
Biomasa Tradicional: especialmente para cocción y calefacción.
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA MUNDIAL - 2008
Producción y capacidad energética 2008-2009
3%
Otras renovables
CAPACIDAD DE POTENCIA NUEVA
INSTALADA MUNDIALMENTE - 2008
Asociación Colombiana de Ingenieros 4
“Otras renovables”: pequeña hidroeléctrica,
biomasa moderna, eólica, solar, geotérmica y
biocombustibles. REN21 Renewables 2010 Global Status Report
69%
13%
15%
COMBUSTIBLES
FÓSILES
3%
Generación
Hidríca
Nuclear
Capacidad de potencia instalada 2008
Asociación Colombiana de Ingenieros 5
Pequeña hidro: <10 MWREN21 Renewables 2010 Global Status Report
Promedio de crecimiento anual de lacapacidad entre finales de 2004 y 2009
Asociación Colombiana de Ingenieros 6REN21 Renewables 2010 Global Status Report
Inversión mundial en investigación en energías renovables
y
96
112
128
144
160
Asociación Colombiana de Ingenieros 7REN21 Renewables 2010 Global Status Report
x
16
32
48
64
80
0
2004 2005 2006 2007 2008 2009
Capacidad mundial de potencia solar fotovoltaica 1995 – 2009
GIG
AV
AT
IOS
Asociación Colombiana de Ingenieros 8REN21 Renewables 2010 Global Status Report
GIG
AV
AT
IOS
Capacidad mundial de potencia solar fotovoltaica 2009
47%
2%
Alemania
Corea del Sur
Asociación Colombiana de Ingenieros 9REN21 Renewables 2010 Global Status Report
16%
13% 7%
6%
5%
4%
Japón
España
Otros paises
de la Unión
Europea
Estados Unidos
Italia
Otros Paises
Competitividad de los costos de las energías renovables
Asociación Colombiana de Ingenieros 10REN21 Renewables 2010 Global Status Report
Costo del Wp vs capacidad de producción de módulos
Asociación Colombiana de Ingenieros 11
Estado del arte energías renovables
Funcionamiento de una Celda Solar
Energía solar
Contenido
Asociación Colombiana de Ingenieros 12
Tipos de sistemas fotovoltaicos
Sistemas fotovoltaicos interconectados
Generación distribuida
Perspectivas para Colombia
Funcionamiento de una celda solar
1. Generación de portadores
de carga.
2. Separación de los
portadores en la ZCE.
Asociación Colombiana de Ingenieros 13
3. Transporte de estos
portadores hasta los
contactos eléctricos.
4. Circulación de una
corriente fotogenerada Iph
a través de una resistencia
de carga.
Funcionamiento de una celda solar
Asociación Colombiana de Ingenieros 14
Funcionamiento de una celda solar
Asociación Colombiana de Ingenieros 15
4. Factor de llenado (FF)
Característica I-V
Parámetros importantes:
1. Corriente de corto-circuito
2. Voltaje de circuito abierto
3. Eficiencia del dispositivo
PVI
Asociación Colombiana de Ingenieros 16
ocscocsc
mm
VI
P
VI
VIFF max==
in
ocsc
in
mm
P
VIFF
P
VI ..==η
Módulo Fotovoltaico
Un módulo FV está conformado por un conjunto de
celdas interconectadas entre sí. Estas se encapsulan
dentro de una caja con marco de aluminio
Asociación Colombiana de Ingenieros 17
Generador Fotovoltaico
• El generador FV está constituido por varios módulos
interconectados en serie y/o paralelo.
• La potencia pico del generador PpG viene dada por el
producto de la potencia pico del módulo PpM por el número
total de módulos NT
Asociación Colombiana de Ingenieros 18
total de módulos NT
TpMpG N P P ∗=
Estado del arte energías renovables
Funcionamiento de una Celda Solar
Energía solar
Contenido
Asociación Colombiana de Ingenieros 19
Tipos de sistemas fotovoltaicos
Sistemas fotovoltaicos interconectados
Generación distribuida
Perspectivas para Colombia
Energía Solar
Energía primaria: (Energía solar)
•Energía radiante proveniente del sol y recibida en la tierra en
Asociación Colombiana de Ingenieros 20
•Energía radiante proveniente del sol y recibida en la tierra en
forma de ondas electromagnéticas: 1.7 x 1014 Kw
• Inagotable y limpia: energía verde.
• Varía diariamente, estacionalmente durante el año, y es afectada
por variaciones meteorológicas, fuera del control del hombre
ENERGÍA SOLAR
Sistema Fotovoltaico Sistema Térmico
Asociación Colombiana de Ingenieros 21
•Irradiancia: (o radiación)
Es el flujo de energía recibido sobre una superficie por unidad de
área y de tiempo. [W/m2]
Energía Solar
Asociación Colombiana de Ingenieros 22
área y de tiempo. [W/m ]
• Irradiancia solar extraterrestre:
• Irradiancia solar estándar sobre la superficie:
1360 W/m2
1000 W/m2
Efectos horarios y meteorológicos
Energía Solar
800
900
1000
1100
1200
Radiación del 10 de Junio de 2010
Asociación Colombiana de Ingenieros 23
Día de baja nubosidadDía de alta nubosidad
0
100
200
300
400
500
600
700
05:0006:0007:0008:0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00
Hora del Día
Efectos estacionales:
21 Diciembre21 Junio
21 Marzo
21 Septiembre
Energía Solar
Asociación Colombiana de Ingenieros 24
23.5o23.5°
Posición aparente del sol al mediodía en un lugar del Ecuador en cuatro fechas diferentes
Horas de sol estándar: HSS (Kwh/m2)
HSSEnero 4.26Febrero 4.54Marzo 3.54Abril 3.01
Energía Solar
Asociación Colombiana de Ingenieros 25
Radiación promedio (en HSS), sobre
el techo del departamento de
Física, UN Bogotá.
Abril 3.01Mayo 3.08Junio 3.26Julio 3.48Agosto 3.53Septiembre 3.65Octubre 3.30Noviembre 3.33Diciembre 3.67PROMEDIO 3.55
Estado del arte energías renovables
Funcionamiento de una Celda Solar
Energía solar
Contenido
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Tipos de sistemas fotovoltaicos
Sistemas fotovoltaicos interconectados
Generación distribuida
Perspectivas para Colombia
Sistemas fotovoltaicos autónomos (SFVA)
Asociación Colombiana de Ingenieros 27
Sistemas fotovoltaicos autónomos (SFVA)
• Electrificación Rural (Viviendas aisladas, Refugios de montaña)
• Aplicaciones Agrícolas (Bombeo, Riego, Control invernaderos)
• Comunicaciones (Repetidoras, Radioteléfono, Telemetría)
• Aplicaciones ganaderas (Electrificación de cercas, Refrigeración de leche,
Asociación Colombiana de Ingenieros 28
• Aplicaciones ganaderas (Electrificación de cercas, Refrigeración de leche, Iluminación de establos)
• Señalización y toma de datos (Estaciones meteorológicas, Protección sísmica, Faros y boyas de navegación, Señalización de autopistas, Plataformas petrolíferas, etc..)
• Aplicación Militar
• Protección Catódica (Puentes, Gasoductos, Oleoductos)
• Aplicaciones Espaciales
Sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica (SFVCR)
Asociación Colombiana de Ingenieros 29
Sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica (SFVCR)
CASO 1
CASO 2
CASO 2
Asociación Colombiana de Ingenieros 30
CONSUMO = GENERACIÓN
CONSUMO > GENERACIÓN
CONSUMO < GENERACIÓN
Sistemas fotovoltaicos híbridos
A los sistemas solares fotovoltaicos
se le pueden añadir motores
generadores convencionales,
generadores eólicos, pequeñas
Asociación Colombiana de Ingenieros 31
generadores eólicos, pequeñas
centrales mini hidráulicas y cualquier
otra fuente de energía, para
satisfacer la demanda aprovechando
en conjunto todos los recursos
renovables de una zona.
Estado del arte energías renovables
Funcionamiento de una Celda Solar
Energía solar
Contenido
Asociación Colombiana de Ingenieros 32
Tipos de sistemas fotovoltaicos
Sistemas fotovoltaicos interconectados
Generación distribuida
Perspectivas para Colombia
Sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica (SFVCR)
CENTRALES DE GRAN CAPACIDAD DE GENERACIÓN
SISTEMAS FV INTEGRADOS EN EDIFICIOS (BIPVS)
Asociación Colombiana de Ingenieros 33
Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos interconectados
TENDENCIAS DE DISEÑO
1. Con qué instalación cubriría mi consumo eléctrico
anual?
Asociación Colombiana de Ingenieros 34
anual?
2. Con qué instalación cubriría el costo de
mi consumo eléctrico anual?
Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos interconectados
GENERADOR FV
Carga definida Potencia del
Generador
Asociación Colombiana de Ingenieros 35
Radiación solar en la
localidad (HSS)
Carga definida
por el usuario (kWh) Generador
Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos interconectados
INVERSOR
Características
• Sincronización e interconexión automática
con la red
Asociación Colombiana de Ingenieros 36
con la red
• Todo en un diseño
• Uso de diferentes tipos de tecnología PV
• Seguidor del punto de máxima potencia
• Alta eficiencia y larga vida
• Expansión
• Normas de seguridad
Estado del arte energías renovables
Funcionamiento de una Celda Solar
Energía solar
Contenido
Asociación Colombiana de Ingenieros 37
Tipos de sistemas fotovoltaicos
Sistemas fotovoltaicos interconectados
Generación distribuida
Perspectivas para Colombia
Generación distribuida
Definición del IEEE:"Generación Distribuida es la producción de electricidad con instalaciones que sonsuficientemente pequeñas en relación con las grandes centrales de generación, deforma que se puedan conectar casi en cualquier punto de un sistema eléctrico. Es unsubconjunto de recursos distribuidos".
Asociación Colombiana de Ingenieros 38
Generación distribuida
Aplicación Descripción
Carga baseLa tecnología de GD se utiliza para cubrir parte de la demanda en base de
de electricidad de la red
La tecnología de GD se utiliza para cubrir parte de la demanda en base de electricidad. El equipo está funcionando permanentemente y reduce el consumo de electricidad de la red
Cobertura de picos de demanda La GD se usa para alisar picos de demanda eléctrica
Asociación Colombiana de Ingenieros 39
Cogeneración Se produce calor/frío además de producir electricidad
BackupAplicación de stand-by que asegura el suministro de electricidad de forma
suministro
Aplicación de stand-by que asegura el suministro de electricidad de forma ininterrumpida. Funciona únicamente cuando se produce un corte en el suministro
Calidad de Suministro
Si la calidad del suministro está por debajo de las necesidades del cliente, esta aplicación proporciona la calidad requerida, eliminando fluctuaciones
Soporte a la Distribución
Las distribuidoras o los grandes clientes utilizan esta aplicación para evitar y resolver congestiones en la red de distribución
Generación distribuida
En otras palabras, es generar la energía eléctrica lo más cerca posible al lugardel consumo, precisamente como se hacía en los albores de la industriaeléctrica, incorporando ahora las ventajas de la tecnología moderna y elrespaldo eléctrico de la red del sistema eléctrico.
Asociación Colombiana de Ingenieros 40
Ventajas:
Modularidad. El tamaño de los sistemas se diseña para satisfacerexactamente las necesidades del cliente.
Confiabilidad. La generación dentro de las instalaciones del clienteaumenta la confiabilidad del suministro.
Generación distribuida
Ventajas:•Perdidas. Se evita la transmisiónde energía a grandes distancias.•Contaminación. Se reducen losniveles de emisión decontaminantes (fuentes no
Asociación Colombiana de Ingenieros 41
contaminantes (fuentes nocontaminantes)
Desventajas:•Frecuencia del sistema•Niveles de tensión•Esquemas de protección•La inversión inicial en $/kWes superior respecto de los esquemas degeneración centralizada
Retos en el tema de generación distribuida para sistemas FV:
Cambio de visión en los sistemas interconectados: El usuario final podrá entregar energía al sistema incluso en baja tensión.
Identificación de condiciones de interconexión para mantener condicionesdeconfiabilidaddelos sistemas.
Generación distribuida
Asociación Colombiana de Ingenieros 42
confiabilidaddelos sistemas.
La energía generada por los SFVCR no es despachable por no ser 100% predecible.Esta incertidumbre no genera grandes inconvenientes cuando se trata de sólo unusuario. Cobra importancia a medida que crece el número de usuarios fotovoltaicos
Los estudios realizados usan generalmente simulaciones bajo condicionesambientales diferentes a las reales ya que no tienen en cuenta su rápida variación(por ejemplo días de alta nubosidad)
Estado del arte energías renovables
Funcionamiento de una Celda Solar
Energía solar
Contenido
Asociación Colombiana de Ingenieros 43
Tipos de sistemas fotovoltaicos
Sistemas fotovoltaicos interconectados
Generación distribuida
Perspectivas para Colombia
Energía solar fotovoltaica en Colombia
En 1979: Comienza la utilización de SFV, cuando TELECOM consideró
su utilización para el programa de telecomunicaciones
rurales.
Asociación Colombiana de Ingenieros 44
Década del 80: Mercado interno de SFV mas grande de Suramérica.
Tipos de mercado
• Mercado profesional: para equipos de telecomunicaciones, señalización,
adquisición y transmisión de datos
•Mercado de usuarios individuales: viviendas rurales para servicios domésticos
como iluminación, radio y T.V.
Energía solar fotovoltaica en Colombia
1,8 MWp correspondientes a alrededor de 28.000 SFV autónomos,
para uso en, viviendas, telecomunicaciones y estaciones
meteorológicas.
Hasta 1990:
En 1992:El Laboratorio Nacional de Energías Renovables de U.S.A (NREL),
instalò un SFV en el Centro de Salud Comunitario de Mosoco,
Asociación Colombiana de Ingenieros 45
En 1992: instalò un SFV en el Centro de Salud Comunitario de Mosoco,
comunidad indígena Paéz, Tierradentro, Cauca.
En 1995: La OMS, la Organización Panamericana de la Salud y el gobierno de
Holanda instalaron en el Chocó cuatro SFV autónomos de 700 Wp
c/u para centros de salud rurales .
Julio de 2004:
La compañía Francesa Total Energie y el Ministerio de
Telecomunicaciones de Colombia planean instalar 54 sistemas
híbridos solar–diesel para centros comunitarios remotos
“Telecentros”, para beneficiar 18.000 personas con servicios de
telefonía, fax e Internet.
Energía solar fotovoltaica en Colombia
Prototipo de sistema solar autónomo instalado en la Universidad Nacional
Asociación Colombiana de Ingenieros 46
Energía solar fotovoltaica en Colombia
Prototipo de sistema solar interconectado instalado en la Universidad Nacional
y sistema de monitoreo
Asociación Colombiana de Ingenieros 47
Poligeneración 100Kw - SFV
Asociación Colombiana de Ingenieros 48
Parque solar fotovoltaico
Asociación Colombiana de Ingenieros 49
Normatividad en Colombia
El Congreso de Colombia expidió en Octubre del 2001 la ley 697, reglamentada por el decreto 3683
de 2003, con el propósito de fomentar el uso racional y eficiente de la energía, además de
promocionar el uso de energías alternativas. Esta ley faculta al Gobierno Colombiano, a través del
Ministerio de Minas y Energía para crear la infraestructura legal, técnica y financiera que permita el
desarrollo de proyectos concretos a corto, mediano y largo plazo. Con la expedición de esta ley,
comenzaron a desarrollarse proyectos de energía alterna como lo es el parque eólico de Jepirachi en
la Guajira, y el ya mencionado sistema interconectado a la red que se encuentra en el laboratorio de
Asociación Colombiana de Ingenieros 50
materiales semiconductores de la Universidad Nacional.
Aun esta pendiente la definición del marco
regulatorio.
Gracias!
Asociación Colombiana de Ingenieros
Gracias!
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