Aplicaciones de la energía solar

ENERGÍA SOLAR

MSc. MULLO QUEVEDO ALVARO

Contenidos

Aplicaciones de la energía Solar1

Energía Solar Fotovoltaica2

Hornos o estufas solares3

Energía Solar FotovoltaicaIMPACTO AMBIENTAL DE LA

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. El consumo de agua, necesario para la

operatividad de una instalación de energía solar fotovoltaica, resulta ser el más bajo en comparación con cualquier otro tipo de instalación de producción energética (sólo se precisa agua durante los procesos de producción de los componentes de los sistemas fotovoltaicos)


ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. La generación de electricidad mediante

energía solar fotovoltaica requiere la utilización de grandes superficies colectoras, y por tanto de una cantidad considerable de materiales para su construcción. La extracción, producción y transporte de estos materiales son los procesos que suponen un mayor impacto ambiental.


ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. La producción de electricidad,

mediante paneles solares de silicio, fabricados en gran escala, disminuye aún más la emisión de CO2, llegándose a reducir hasta cerca de 200 veces la cantidad de CO2 emitida respecto a una central térmica de carbón.


ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. Otros impactos ambientales, de esta

fuente energética, están relacionados con las infraestructuras necesarias para su funcionamiento. Quizás el factor más conocido y esgrimido, contra la energía solar fotovoltaica, es la ocupación de espacio, por parte de los paneles solares no integrados en la arquitectura.


ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. Espacio ocupado por diversas

tecnologías energéticas

Energía Solar Fotovoltaica

Energía Solar FotovoltaicaComponentes de la instalación

solar fotovoltaica. Supongamos, por ejemplo, que en

condiciones de irradiación solar de 1 kW/m2, una célula solar sencilla, de silicio monocristalino, en condiciones óptimas de trabajo, proporciona una potencia 28 mA/cm2 a una tensión de 0,5 Voltios, esto supone un rendimiento del 14%.


solar fotovoltaica. Con una irradiación de 1.000 W/m2 las

células fotovoltaicas proporcionan valores de tensión de unos 0,5 voltios y una corriente de unos dos amperios, para una superficie unitaria por célula solar de 75 cm2

Para obtener potencias utilizables, para aparatos de mediana potencia, hay que unir un cierto número de células, con la finalidad de obtener la tensión y la corriente requeridas.


solar fotovoltaica. Para tener más tensión hay que conectar

varias células en serie, es decir en fila como las pilas, y para obtener más corriente hay que unir varias filas en paralelo.


solar fotovoltaica. Un módulo solar está constituido por

varias células iguales, conectadas eléctricamente entre sí en serie y paralelo, de forma que la tensión y la corriente suministrada por el módulo se ajusten al valor deseado.

Energía Solar FotovoltaicaEjemplo.

Disponemos de células solares que con una irradiación de 1.000 W/m2 proporcionan valores de tensión de unos 0,5 voltios y una corriente de unos 2 amperios y deseamos saber cuantas necesitamos en serie y paralelo para tener un módulo que nos proporcione 18 voltios y que potencia pico nos proporcionarán estas células en serie.

Energía Solar FotovoltaicaEjemplo.

Nc = TN / TC

Nc = 18 V / 0.5 V = 36

Wp = TN * CC = 18 V * 2 A = 36 W

Nc => Número necesario de células en serie TN => Tensión necesaria TC => Tensión de la célula Wp => Potencia pico de las células en serie


solar fotovoltaica. Cubierta exterior de vidrio muy resistente

a los impactos, que debe proteger las células solares de los agentes meteorológicos y transmitir el máximo de la irradiación solar

Cubierta posterior, que debe ser resistente a la intemperie, para proteger a las células frente a los agentes meteorológicos, y debe facilitar la refrigeración de las células.


solar fotovoltaica. Material encapsulante, situado entre las

dos cubiertas. Su misión es envolver a las células y formar un cuerpo rígido entre las dos cubiertas, para dar rigidez al conjunto, y unirlas.

Marco soporte que debe asegurar la rigidez, estanqueidad y posibilidad de sujeción a la estructura exterior del módulo, normalmente mediante perforaciones que permiten la colocación de tornillos de fijación.

Llamaremos módulos a los elementos básicos formados por células, pero indivisibles desde un punto de vista estructural, que pueden formar parte de un panel. Así mismo denominaremos generador fotovoltaico al conjunto de paneles con sus elementos asociados imprescindibles para producir la energía eléctrica.

Características de los módulosLos parámetros de los módulos,

están definidos para unas condiciones estándar de medida, que son:

Nivel de irradiación luminosa de 1 kW/m2

Temperatura ambiente de 25 ºC. La intensidad de corriente de

cortocircuito (ISC). La tensión en circuito abierto (VOC). Potencia de trabajo (P).

Otras característicasEl tipo de material utilizado en su

construcción: monocristalino, policristalino o amorfo. Que define el rendimiento del módulo como ya se ha indicado, pero que también condiciona su precio.

La tensión de salida del módulo que puede ser de 12, 24 o 48 V. Ya que esto condiciona algunos de los elementos de la instalación.

Otras característicasLa superficie del módulo que

puede variar entre 0,1 y 0,5 m2. Ya que esto condiciona los sistemas de soporte y el espacio necesario para su instalación.

El número de células por módulo, que suele oscilar entre 28 y 40 para los módulos convencionales. El número de células colocadas en serie afecta principalmente al voltaje puesto que cada una de ellas produce alrededor de 0,5 V.

Otras característicasLo más frecuente es disponer de

módulos de 36 células colocadas en serie, de manera que disponemos de una tensión de salida de 18 voltios, suficiente para producir la carga de las baterías del acumulador.

La cantidad de irradiación afecta fundamentalmente a la corriente eléctrica.

Además, la afecta de forma directamente proporcional, es decir, a mayor irradiación mayor corriente. La ecuación que relaciona corriente eléctrica e irradiación solar viene dada por la ecuación siguiente:

ISC2 = ISC1 * E2 / E1

Donde: ISC2 es la intensidad de corriente de

cortocircuito en la situación 2; ISC1 es la intensidad de corriente de

cortocircuito en la situación 1; E2 es la energía de la irradiación

solar en la situación 2; y E1 es la energía de la irradiación

solar en la situación 1.

Ejemplo.Con una intensidad de corriente de

cortocircuito de 0,6 A cuando la irradiancia es de 200 W/m2, calcula la corriente de cortocircuito cuando la irradiancia es de 600 W/m2.

ISC2 = ISC1 * E2 / E1 ISC2 = 0,6 A * 600 W/m2 / 200 W/m2 =

1,8 A

Influencia de la temperatura en los módulos

Los resultados experimentales demuestran que la mayoría de los módulos, realizados con células de silicio e independientemente del tipo de material utilizado (monocristalino, policristalino o amorfo), pierden entre el 0,7% y 0,9% de potencia por ºC que aumenta su temperatura.

Influencia de la temperatura en los módulos

Normalmente esta es una información que indican los fabricantes en las características técnicas de sus módulos, en caso de no disponer de ella, para los cálculos prácticos, se puede tomar un coeficiente de pérdida de la potencia de salida del 0,6% / ºC, para cada grado por encima de los 25 ºC.

Ejemplo. Para los cálculos prácticos, en el caso de que no podamos calcular la

temperatura del módulo, tomaremos la temperatura de trabajo como 20 ºC por encima de la temperatura ambiente.

Disponemos en pleno verano de un módulo solar de 20 Wp a una temperatura ambiente de 38 ºC, y vamos a calcular sus pérdidas de potencia.

Temp. de trabajo = 38 ºC + 20 ºC = 58 ºC

Elección del tipo de módulo a utilizar

Una idea fundamental, a tener en cuenta en la elección del módulo fotovoltaico, es el obtener un balance equilibrado entre la energía generada, el precio del generador, el espacio disponible para situarlo y la vida del generador.

Montaje del generador fotovoltaico1. Montaje de los paneles El proceso para realizarlo dependerá, evidentemente, de las

características de la instalación y del soporte de los paneles.

2. Soporte de los paneles. El tipo de instalación. El lugar de instalación. El coste de la instalación. El tipo de módulo utilizado. El número de módulos por panel. El espacio disponible para colocar los paneles. La posibilidad de integración en elementos ya construidos. La distribución e inclinación del espacio. Las sombras que puedan recibir los paneles.

Protecciones del generadorEl generador debe incorporar una

serie de protecciones que garanticen su correcto Funcionamiento. Para ello es común utilizar los siguientes elementos:

Diodos de paso. Diodos de bloqueo. Protecciones contra sobretensiones

Protecciones del generadorLos diodos de paso se colocan en

los módulos fotovoltaicos en paralelo con grupos de células en serie, para impedir que todos los elementos de la serie se descarguen sobre una célula que no funciona como las demás, como consecuencia de una iluminación no uniforme, la presencia de sombras, defectos de fabricación de la célula o averías.

Protecciones del generadorDiodos de bloqueoCuando un sistema fotovoltaico utiliza

un acumulador de baterías se deben colocar los diodos de bloqueo para:

Impedir las corrientes inversas desde el acumulador hacia el generador durante la noche o durante periodos de baja insolación.

Impedir las corrientes inversas desde las series de módulos que funcionan correctamente hacia las series sombreadas o deterioradas.

Protecciones del generadorProtecciones contra

sobretensionesLas sobretensiones suelen ser

producidas por la caída de un rayo sobre nuestro generador fotovoltaico. Los efectos de un rayo pueden alcanzar hasta un km. De distancia y pueden inducir corrientes parásitas en los elementos metálicos altamente destructivas, debido a su elevado potencial.

Baterías y acumuladores.En las instalaciones solares

fotovoltaicas, aisladas de la red, en las que tenemos que acumular de alguna forma la energía, el uso baterías permite dotar al sistema de una fuente eléctrica:

Independiente de las condiciones de irradiación solar existente.

Con una autonomía más o menos prolongada. Con cierta capacidad de suministrar intensidades

superiores a la nominal de los módulos fotovoltaicos. Con una tensión estable, necesaria para el correcto

funcionamiento de lámparas, motores y electrodomésticos. Con una tensión de referencia, que fije el punto de trabajo

óptimo de los módulos.

Baterías y acumuladores.Parámetros característicos de las

baterías• El tipo de batería. El más utilizado en la práctica es el de plomo-ácido con

electrolito líquido, seguido del acumulador de plomo-ácido con electrolito de gel y el de níquel-cadmio.

• La energía que puede almacenar, que se denomina capacidad nominal (Cn) y que viene dada en vatios.hora (Wh). Técnicamente la capacidad nominal se define como la cantidad de carga que es posible extraer de una batería en 20 horas, medida a una temperatura de 20 ºC, hasta que la tensión entre sus terminales llegue a 1,8 Voltios/vaso.

• La corriente que puede entregar en la descarga, que viene dada en amperios (A).

• La profundidad de descarga máxima (PDmax) a la que se la puede someter la batería, que viene dada en % de energía que se la puede extraer sobre el total de su capacidad, sin dañar la batería.

• El voltaje nominal, que es la diferencia de potencial entre sus bornes, que viene dado en voltios (V).

• La vida del acumulador (hasta que su capacidad residual caiga por debajo del 80% de su capacidad nominal).

• La densidad de carga, que indica la capacidad de la batería por unidad de peso (Wh/kg) o por unidad de volumen (Wh/cm3).

• El número de ciclos de carga y descarga que puede soportar.

EjemploVamos a calcular cuantos vasos

individuales de 2 V y 40 Ah necesitamos en serie y paralelo para montar un acumulador de 48 V se salida y una capacidad nominal de 1120 Ah.

Vasos en serie = 48 V / 2 V = 14 Capacidad de la línea de vasos en serie = 14 *

40 Ah = 560 Ah Líneas en paralelo de vasos = 1120 Ah / 560

Ah = 2

Pérdidas en el generador

Pérdidas en el generador

Pérdidas totales en el generador• Ptotales = Pso * Psu * Pt * Pn * Pv

Determinación del tamaño del generador

Una vez que conocemos: La demanda energética sobre el generador (ED) en

kWh/día. Las pérdidas que se producen en el generador (Ptotales)

en tantos por uno. El valor medio mensual de la irradiación solar media

diaria captable (Ec) en kWh/m2.día, que incide sobre el plano del generador, teniendo en cuenta sus variaciones con respecto a al variación óptima.

El rendimiento de los paneles que componen el generador (P) en tantos por uno, habiendo descontado un 10% del factor de corrección medio (FCr) factor seducido experimentalmente. A este rendimiento lo llamaremos rendimiento de los paneles corregido y lo representaremos por PC. En muchos catálogos el rendimiento aparecerá como eficiencia.

Tamaño del generador fotovoltaico

Podemos determinar su tamaño del generador solar fotovoltaico aplicando la siguiente ecuación:

ST = ED / (Ec * Ptotales * PC)El resultado nos dará una

superficie total útil de generador en m2.

Evidentemente, en función del modelo de panel obtendremos la cantidad de paneles necesarios para cubrir nuestras necesidades.

Como hacer un panel solar en casa

¿Qué es una estufa solar?

Una estufa solar es un aparato que nos permite cocinar usando elsol como combustible. Usando el sol para cocinar, nos ahorramos cientos de dólares anuales en combustibles convencionales que se usan para cocinar estos alimentos, además de ayudar a combatir el calentamiento global.

¿Québeneficios tiene usar una estufa solar?

•Ahorramos dinero y tiempo•El sol (energía solar) es gratis, la

estufa solar ahorra grandes cantidades de combustible.

•La comida se cocina sin tener que estar al pendiente, sin el riesgo de que se queme, lo que nos permite realizar otras actividades mientras cocinamos.

•Es fácil de construir, ya que puede ser de muchos materiales diferentes.

Son seguras y saludables•No hay fuego que pueda ocasionar

un incendio•No hay humo que pueda lastimar

los ojos o ocasionar enfermedadesen los pulmones

•La mayoría de las estufas solares cocinan entre 82-121ºC, ideal para retener nutrientes y el sabor, además de que no queman la comida.

Ayudan a mejorar la calidad del air

Quemar combustibles tradicionales como madera o gas contamina elaire y contribuye al calentamiento global. Las cocinas solares proveen de un combustible limpio y renovable.

El combustible: La luz solarLa luz solar es el combustible. Una

estufa solar necesita un espacio al aire libre, en donde en donde haya muchas horas de sol al día. Necesita estar protegida de vientos fuertes y en un lugar en donde la comida no este en peligro. Las estufas solares no funcionan en la noche o en días nublados. Es importante señalar que para que una estufa solar funcione no es necesario que haga calor, con que haya mucho sol (radiación solar), es suficiente para que la estufa solar cocine.

Convertir la luz solar en energía calorífica (calor)

Lo que buscamos es atrapar la energía calorífica que contienen los rayos solares (la energía solar), por lo que los materiales obscuros son los más convenientes. La comida se cocina mejor en ollas delgadas, negras y opacas, las cuales tengan una tapa que ajuste muy bien para retener el calor creado dentro.

Que factores influyen en la velocidad de cocción de los alimentos

La estufa solar consta de 4 partes:1.El panel reflector2.La olla3.La bolsa de plástico transparente4.El método para cocinar la comida

(ver instrucciones)

Materiales de construcción•Un cartón de 110 x 80 cm. mínimo.•Un rollo de papel aluminio•Pegamento Blanco diluido en agua 1:1/2•Una brocha chica•Un exacto, tijeras o algo para cortar el cartón•Una pluma o lápiz•Una regla larga, o algo largo y recto para

medir.•Una olla con tapa, de preferencia negra•Una bolsa de plástico transparente (en donde

quepa la olla)•Cinta adhesiva

Horno Solar, trabajo de investigación

Derritiendo acero con energía solar

1. Realice un estudio de caso donde queden identificados y fundamentados los principales principios analizados en este tema.

Extensión: no menos de 10 cuartillas para entregar.Exposición del trabajo: en Power Point.

Propuesta 3 de Trabajo Final

Engineering

Aplicaciones de la energía solar