Energa Solar Fotovoltaicag

Fundamentos de la generacin de electricidad con sistemas fotovoltaicos

El Mdulo fotovoltaicoEf t f t lt i

El Sistema fotovoltaico Efecto fotovoltaico

Clula solar

C t ti l t i

Acumulador

Regulador de carga Caractersticas elctricas

De la clula al mdulo

A i i d d l

Convertidor DC/DC

Convertidor DC/AC Asociacin de mdulos

1

Efecto fotovoltaico

Estructura cristalina (Diamante) Semiconductores: Si, Ge, A GAsGa Enlace Covalente

Banda de conduccin

Banda de Energa

hibidEg

Eg = 0, metales0 < Eg < 3 eV, semicond.

Banda de valencia

prohibidaEg > 4 eV, aislantes

Banda de valencia

2

Interaccin Luz - Cristal

SC)(caracEhcE 1240eV)( =ESC)(carac.gfotn EE = )nm(eV)(fotn =E

Generacin

--Recombinacin

--?

EgI?

+ +

3

Clula Solar

I >0

p

nE

Material n (Fosforo, 5e-) Impureza Donadora

p E

Material p (Boro, 3e-) Impureza Aceptora

Metalizacin

500 mCapa

Antirreflexiva

4

Caractersticas elctricas

FotocorrienteIntercambio de energa entre

fotones red cristalina

n q

fotones y red cristalina

+ Total fotonesR fl j dp

E t

qI =L Reflejados No absorbidos

No encuentran enlace

FOTONES TILES CARGAS GENERADAS

Radiacin solar

(mW/cm2.m)

150 Fotocorriente = Cargas generadas -a nivel del mar

100

50

Potencia Cargas absorbidas (recombinadas)Silicio

I = I0

Espectro

1,0 2,0 3,0 (m)ISC = IL

5

Caractersticas elctricas (II)

Tensin de circuito abierto

Generacin RecombinacinG = 0 V = 0

G

nG >0 V =VOC

VOC =Caracterstica del materialV

pE

Clula solar con carga

G

RVI = V

Celda fotovoltaica

7

Celda fotovoltaica

8

9

Caracterizacin de clulas solares (y paneles fotovoltaicos)I *

ELCTRICACondiciones Estndar de Medida

ISCVOC*PM*

Condiciones Estndar de Medida (CEM)

[Standard Test Conditions, STC] (=G*) G = 1000 W/m2 Incidencia normal Distribucin espectral AM1 5G

( )

(=T *) Distribucin espectral AM1.5G TC = 25C

(=TC )

TRMICA G = 800 W/m2

TNOC(Temperatura Nominal de Operacin d Cl l ) Ta = 20C

Incidencia normal Distribucin espectral AM1 5G

de Clula)

a2C W/800C20 TGTNOCT = Distribucin espectral AM1.5G

Velocidad del viento = 1 m/s

a2C W/m80010

Conexin en serie y en paralelo

serie

paralelo

11

Circuito equivalente - Resistencia serie y paralelo

RsRpp

P

SSOCSC R

IRVkT/e

IRVVexp1II +

+=12

I = Corriente cortocircuito

Curva VI Real

I(A) ISC = Corriente cortocircuitoVOC=Tensin de circuito abiertoIM =Corriente de mxima potencia

I(A)

ISC ( VM , IM )

VM = Tensin de mxima potenciaPM = Potencia mxima = IMVMFF = Factor de forma = PM /(ISCVOC)

Rectngulo de rea = PMAX

FF = Factor de forma = PM /(ISCVOC)

Eficiencia de conversin rendimientoS =rea clulaV(V)VOC PM=G = IrradianciaSG

I -1/RV < VM

Modelo de rectas

ISCIM-1/RP PM

I = ISC - V/RP I = IM- 1/RS

VV

V VM

VOCVM SOC

RVVI =

13

Dependencia de la irradiancia

Distribucin espectral de la luz del sol.

14

y de la Temperatura

15

Influencia de la temperatura y la irradiancia

IRRADIANCIA Corriente de cortocircuito

Dependencia lineal

TEMPERATURA Corriente de cortocircuito

Muy Pequea

El mdulo convencionalCONSTITUCIN CARACTERSTICAS

marco junta

vidrio

CONSTITUCIN CARACTERSTICAS

12

14

vidrio

6

8

10

r

r

i

e

n

t

e

(

A

)

G = 700 W/m2Ta = 34 C

Condiciones estndar

E VA 02

4

C

o

r

a

E.V.A.Tedlar clula

FUNCIONES

-30 20 70 120 170 220

Voltaje (V)

- Niveles de V e I - Rigidez estructural- Proteccin intemperie

Fatiga trmica

TECNOLOGA- Vidrio (bajo Fe)- E.V.A. (o P.V.B.)

Vidrio o TedlarFatiga trmicaRadiacin UVAbrasin

- Aislamiento elctrico

- Vidrio o Tedlar- Contactos de Cu (Sn)- Marcos de Al- Junta de silicona

- Transparencia- Fcil instalacin- Disipar el calor

- Tornillera inoxidable

17

Curva V/I Mdulo

ISCM-1/RPM

-1/RSMNS

VVOCM

NISCM = NPISCVOCM = NSVOCNP nmero de clulas en paralelo

NP

RPM = RP /NPRSM = RSNS

P pNS nmero de clulas en serie

18

Asociacin de Mdulos

SERIE I =cte IMI Vi(I) VmiPARALELO V=cte V I (V) IPARALELO V=cte VMI Ii(V) Imi

Pi < PMIReduccin de prdidasp* Clasificacin de mdulos* Caminos alternativos de corriente

60 80

30

40

50

u

e

n

c

i

a

u

e

n

c

i

a

40

60

0

10

20

f

r

e

c

u

f

r

e

c

u

0

20

2.7 2.8 2.9 3 3.10

28 29 30 31 320

M (A)I V M (V) 19

CLASIFICACIN DE MDULOS

Reduccin de Prdidas de Dispersin (generador fotovoltaico)

CLASIFICACIN DE MDULOSCAMINOS DE CORRIENTE

ALTERNATIVOS10%

) sin clas

6

8

R

P

L

(

%

sin clas.2 clases3 clases4 clases

0

24

010 20 30 40 50 60

nmero de mdulos en serie

+

C

1

C

1

C

1

C

1

C

1

C

1

C

1

C

1

C

1

C

1

C

1

C

2

C

2

C

2

C

2

C

2

C

2

C

2

C

2

C

2

C

2

C

2

C

3

C

3

C

3

C

3

C

3

C

3

C

3

C

3

C

3

C

3

C

3

+

C

1

C

2

C

3

C

1

C

2

C

3

C

1

C

2

C

3

C

1

C

2

C

3

C

1

C

2

C

3

C

1

C

2

C

3

C

1

C

2

C

3

C

1

C

2

C

3

C

1

C

2

C

3

C

1

C

2

C

3

C

1

C

2

C

3

C C C

C C C

C C C

C C

CB =CA + 1.5% 20

El Problema del PUNTO CALIENTE

I 35 clulas igualesSe produce cuando alguna clula disipa la potencia que otras generanA i d l l d f t

conjunto de 36 clulas

Asociado a clulas defectuosas o parcialmente sombreadosPuede daar al encapsulado de forma irreversible

clula peorPotencia disipada en la clula peor

irreversible

V

p

1 2 18 363519

-

+(a)

1 2 12 18 24 36352513

-

+

(b)

Para evitarlo se utilizan diodos que limitan el valor mximo VPI 21

El sistema fotovoltaico

Acondicionamientode potencia

GeneradorFotovoltaico

CargasDC

Generador

CargasAC

Acumulador

GeneradorAuxiliar

Redelctrica

GENERADOR FOTOVOLTAICO: Clulas mono o policristalinasEstructura esttica o con seguimientoSistema de concentracinSistema de concentracin

GENERADOR AUXILIAR: Grupo termoelctrico diesel o gasolina

ACUMULADOR: Batera Pb-Acido, depsito de agua, otros, p g ,

ACONDICIONAMIENTO DE POTENCIA: Regulador de carga de bateraConvertidor DC/ACConvertidor DC/DC

CARGAS: Instalaciones conectadas a la red o autnomasAlimentacin DC o AC 22

Acumulador de Pb-AcidoCtodo Anodo

+

Ctodo Anodo

Pb (rejilla)

Pb2O (poroso)Pb (poroso)

Pb + SO42- PbSO4 + 2e -Descarga-

Pb (rejilla)

PbO2 + SO42-+ 4H++ 2e- PbSO4 + 2H2O

4 4Carga

Carga

Descarga

Carga

Descarga

Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O

V BI RBIIDESCARGACarga

2H2SO4

RBI (T, )ANODO

ICARGAVB

Descarga2H2SO4 V BI RBI

CATODO

B

TemperaturaVolumen del

electrolitoTVBI (T, )

V BI RBIelectrolitoRBI23

Constitucin de la batera

Ct dCtodoAnodo

Tapa

Difusin del electrolito

Placa negativa

Separador

Reaccin en superficieDifusin difcilConcentracin no uniforme

Placa positiva(tubular)

Concentracin no uniforme

Vaso

Variaciones de volumen

Pb La materia activa cambia de

Depsito de slidos

1 8 9 Pl h

Pb

PbO

PbSO

2

4

La materia activa cambia de tamao durante la carga y la descargaTendencia al desprendimiento de materia1.859 - Planch

1.881 - Sellon

4 de materiaObstruccin de los poros

24

Definiciones bsicas

CAPACIDAD NOMINAL, CB: es la mxima carga elctrica que puede extraerse de la batera. Depende de la temperatura, la corriente de descarga y la tensin final. Se mide en Amperios-hora (Ah).

ESTADO DE CARGA, SOC: es la relacin entre la carga almacenada en una b t id d i l V t 0 < SOC < 1batera y su capacidad nominal. Vara entre 0 < SOC < 1.

PROFUNDIDAD DE DESCARGA, PD: es la relacin entre la carga extrada de una batera y su capacidad nominalde una batera y su capacidad nominal.

REGIMEN DE CARGA (O DESCARGA): es la relacin entre la capacidad nominal y el valor de la corriente a la que se realiza una carga (o descarga)nominal y el valor de la corriente a la que se realiza una carga (o descarga).

RENDIMIENTO FARADICO: es la relacin entre la cantidad de corriente (Ah) extrada durante un proceso de descarga y la cantidad de corriente necesariaextrada durante un proceso de descarga y la cantidad de corriente necesaria para restablecer el estado de carga previo.

25

2 7

Proceso de carga

CARGA: Transformacin del PbSO4 de las placas en PbO2 y Pb con liberacin del cido al electrolito. 2,5

2,6

2,7

e

n

t

o

T = Cte

FASE I: La tensin aumenta l t t d f i li l

2,2

2,3

2,4

(

V

)

/

e

l

e

m

2VB = VBI + ICARGARBI

lentamente, de forma casi lineal con el tiempo: VBI, RBI

FASE II: La materia activa escasea. Descomposicin del agua 1 9

2

2,1

V

B

(

1Descomposicin del agua. Sobrecarga y gaseo: VBI, RBI

1 10 100 10001,8

1,9

Tiempo de carga (horas)

SOBRECARGA:- Prdida del electrolito

Oxidacin de la rejilla positiva- Oxidacin de la rejilla positiva- Perdida de materia activa

GASIFICACION:

2,35

Proceso de descarga

DESCARGA: Transformacin del PbO2y Pb de las placas, en PbSO4, con absorcin de cido del electrolito.

t

o

2,2

2,4

absorcin de cido del electrolito.

VB = VBI - IDESCARGARBI

e

l

e

m

e

n

t

1,8

1,9

LIMITE DE DESCARGA: Para evitar daos a la batera, se limita la tensin final a VB = VBF = 1,9

V

B

(

V

)

/

e

1 4

1,6

,

B BFV/elemento.

Tiempo de descarga (horas)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1,2

1,4

Tiempo de descarga (horas)

CAPACIDAD: Funcin de IDESCARGA, VBF y TVBF=cte IDESCARGA VBIMIN CBVBF=cte, IDESCARGA VBIMIN CB

SULFATACION: Descargas muy profundas producen cristales de sulfato de plomo en las placas, p p ,no reversibles.

27

Ciclado y estratificacin

c

i

a

l

)

0,6

0,8

1,0

I20 I40 I100PROCESO DE CICLADO

L d i d l b t d d d

C

B

/

C

B

(

i

n

i

0,2

0,4

0,6La duracin de la batera depende de la profundidad mxima de descarga permitida.

Nmero de ciclos0 1500 3000 4500 6000

0,0

ESTRATIFICACIONIDESC IDESCDESCARGA CARGA

ESTRATIFICACION

-+-+

R

EFECTO DE LA TEMPERATURA

T R C dC /dT 1%/CT VBI

RBI VBsobrecargaT RBI, CB dCB/dT 1%/ CTCONGELACION = f()

BI Bsobrecarga

VBMAX - 5mV/C28

La batera fotovoltaica

1SOC

CICLADO DIARIO

* Consumo nocturno

PDdCICLADO ESTACIONAL

* PDd = Ln / CB

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

PDe D* Periodos de baja radiacin* PDe < PDMAX

3L

Regulador de carga de batera

FUNCION: Evitar las situaciones de sobrecarga y sobredescarga, para preservar la vida de la batera.

PROCEDIMIENTO: Deteccin del SOC a partir de VB USC(T) = - 5 mV/CSC( )REGULADOR PARALELO REGULADOR SERIE

* Regula la sobrecarga y la sobredescarga

IG

* Solo regula la sobrecarga* Indicado en pequeas instalaciones

Regula la sobrecarga y la sobredescarga* El interruptor puede ser electromecnico o esttico* Puede incorporar otras funciones como: alarmas interrupcin nocturna etc

IT IB ON

OFF

ON

alarmas, interrupcin nocturna, etc

IG

I

USC

OFF

2,2 U =1,9 VSD

OFF

2,1

SOC < 1, frec. USC = 2,35 V

SOC = 1, USC = 2,15 VIT

IB

VB/elementoUSCSOC < 1, USC = 2,45 V SOC = 1, USC = 2,2 V

30

Convertidor DC/DCFUNCION: Conseguir que el punto (V I) de trabajo coincida con el punto de mximaFUNCION: Conseguir que el punto (V,I) de trabajo coincida con el punto de mxima

potencia del generador fotovoltaico.PROCEDIMIENTO: Enfrentar al generador una impedancia tal que su punto de trabajo

coincida con el de mxima potencia.p

TON TOFFON (1)

(3)(2)

P POSIBILIDADES(1) Pi+1< Pi VG< VMG

(2) Pi+1> Pi VG> V

tOFF V(i,i+1)VMG

(3) Pi+1= Pi VG= VMGEl valor ptimo de TON/T se determina muestreando la potencia a la entrada del convertidor y comparando cada valor con el anterior.

V D C V

L

R

I G

REDUCTOR DE TENSIONI

1/RT1

T3

T2PMAX

PCDV

D

C

L

R

IG I R

ELEVADOR DE TENSION IPMAX

T1T3

T2PCDVG D C VR R

TIV ONGR ==

PMAX

V VV

V

VG C R

GR TIV ==

1/RT1

VRVMG VVCDTIV RGVR VMGVCD

OFFRG TIV== VRVMG VVCD

Eficiencia tpica entre el 90% y el 95%Eficiencia tpica entre el 90% y el 95%Est aconsejado utilizarlos con generadores mayores a los 3 kWp, en sistemas con batera. 31

Convertidor DC/AC (Inversor)

FUNCION: Transformar la salida DC del generador fotovoltaico en AC con la mayor eficiencia posible.

PROCEDIMIENTO: Generar una onda de impulsos mediante interruptores a partirPROCEDIMIENTO: Generar una onda de impulsos mediante interruptores a partir de la DC, y eliminar los armnicos indeseados.

DC PROPIEDADES

= Alta eficiencia: Potencia demandada en un

SINTETIZADOR FILTRO

rango amplio Bajo consumo en vaco

AC

Alta fiabilidad: Resistencia a las puntas de arranque

P t i f t t i itUS

Proteccin frente a cortocircuitos Seguridad

32

Tecnologas bsicas para DC/ACSINTETIZADOR DE ONDA CUADRADA SINTETIZADOR DE PWM

VB

US

1

SINTETIZADOR DE ONDA CUADRADA SINTETIZADOR DE PWM

0 -DDS

-1

Interruptores lentos y/o que consumen mucha Interruptores rpidos de bajo consumo

2

Interruptores lentos y/o que consumen mucha potencia para su control (TRT, SCR) Filtros pesados, voluminosos y de alto consumo Eficiencia muy dependiente de la potencia

p p j(MOSFET, IGBT) Bajo contenido en armnicos Control mediante microprocesadores que permite otras funciones

Valor eficaz del armnico normalizadoP /P 0 5

demandada permite otras funciones Eficiencia elevada para un amplio rango de potencia

P /P 1 P /P 0 2 Efi i i (%)

0,8

1PI /PIMAX=0,5PI /PIMAX=1 PI /PIMAX=0,2 Eficiencia (%)

60

80

100

0 2

0,4

0,6

20

40

60

Armnicos1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

0

0,2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 10

PI /PIMAX 33