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• Rodrigo Vera Sanchez

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ENERGÍAS RENOVABLES SUBMÓDULO: ENERGÍA FOTOVOLTAICA

1

Temario           

Descripción. Objetivos. Definiciones ¿Qué es Energía Fotovoltaica? Historia de las celdas FV Celdas solares Aspectos Normativos Descripción de Sistema Fotovoltaico (SFV) ¿Cómo dimensionar un SFV? Cálculo para una aplicación Ejemplos de aplicación

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Descripción  Centra los contenidos hacia el uso de la energía solar para generación de energía eléctrica a través de la interconexión de paneles generando un sistema fotovoltaico (SFV).  Se plantean conceptos básicos de la teoría circuitos eléctricos para comprender el funcionamiento del SFV.  Se entregan herramientas metodológicas para dimensionar correctamente un SFV.

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Objetivos  Entregar los principios de funcionamiento de los SFV.  Entregar herramientas que permitan dimensionar correctamente un SFV.  Aplicar conceptos básicos de la teoría circuitos eléctricos para evaluar rendimientos de los SFV.  Mostrar aplicaciones de SFV.

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Definiciones Rayos X: Radiación electromagnética, que se encuentra en el rango de los 1019 y 1022 (Hz).

5

Definiciones Fotón: Partícula de luz que se propaga en el vacío. Portadora de todas aquellas formas de radiación electromagnética (rayos gamma, rayos x, luz ultravioleta, luz infrarroja, ondas de radio, microondas, entre otras). Semiconductor: Sustancias que son conductoras por la adición de ciertas impurezas (por ejemplo silicio).

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Definiciones Energía Renovable: Energía a base de fuentes que se renuevan ilimitadamente (ej. solar) o generada por combustibles renovables (ej. biomasa). Líneas Eléctricas: Conductores que permiten transportar la energía eléctrica desde una fuente a un consumo. Conexión Serie:

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Definiciones Conexión Paralelo:

Voltaje: Fuerza requerida para ejercer un desplazamiento de electrones. Se mide en Volt (V) y se simboliza por la letra V o v. Corriente: Movimiento de cargas eléctricas a través de ciertos caminos cerrados. Se mide en Amperes (A) y se simboliza por I o i.

8

Definiciones Potencia: Trabajo producido por unidad de tiempo. Su unidad de medida es el Watt (W). Su símbolo es P. Energía: Potencia requerida por unidad de tiempo. Su unidad de medida es Wh. Generalmente kWh.

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¿Qué es Energía Fotovoltaica? Transformar radiación solar en energía eléctrica.  Transformación a través de celdas fotovoltaicas  Celdas conformados por material semiconductor (silicio)  Excitación de electrones al estar sometido a radiación solar  Generación de pequeño voltaje  Interconexión de celdas solares configuran un panel solar  Voltaje celda acorde a la conexión eléctrica que se realice  Conexión serie aumenta la tensión  Conexión paralelo aumenta la corriente

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¿Qué es Energía Fotovoltaica?  Tecnología FV es modular (grandes centrales, pequeñas fuentes)  Efecto fotovoltaico basado en capacidad de los electrones del material para excitarse y pasar a un nivel energético superior.  La diferencia entre los niveles, denominada gap, puede salvarse en determinados materiales denominados semiconductores mediante los fotones que componen la radiación solar.

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¿Qué es Energía Fotovoltaica?  Actualmente la investigación está en constante mejoramiento de los materiales utilizados (aumento del rendimiento reducción de los costos.  Según estudios, se estima que antes de 2015 la generación de energía eléctrica mediante el uso de paneles fotovoltaicos será más económica que comprar la energía eléctrica a la empresa distribuidora de energía eléctrica

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Historia de las celdas FV  En 1839 (Edmund Becquerel), descubre el efecto fotovoltaico al observar que una pila electrolítica de dos electrodos aumentó su capacidad de generación de electricidad al ser expuesta a la luz.  A fines del siglo XIX los científicos W. Smith, W Adas y R. Day descubren la fotoconductividad del selenio y construyen la primera celda experimental hecha de una oblea de selenio.  En 1904 Albert Einsten publica su paper acerca del efecto fotolvoltaico (junto con su paper de la teoría de la relatividad), por este documento es galardonado en 1921 con el Premio Nóbel.

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Historia de las celdas FV  Recién en 1941 se construye un dispositivo que puede ser llamado “celda solar”, fue fabricada de selenio y tenía una eficiencia del 1 %.  La compañía Western Electric fue la primera en comercializar las celdas solares en 1955.  En 1955 a la U.S. Signal Corps le fue asignada la tarea de construir fuentes de poder para satélites espaciales, con celdas de eficiencia de un 4,5 %, aumentando a 9% en tres años.  En 1958 fue lanzado al espacio el primer satélite que utilizaba celdas fotovoltaicas, el Vanguard I. Éste tenía un sistema de poder de 0.1 W, en aproximadamente 100 cm2y estuvo operativo por 8 años.

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Historia de las celdas FV  En 1960 Hoffman Electronics fabrica una celda con un 14 % de eficiencia.  En la década de los sesenta, la potencia instalada de las celdas solares de las naves espaciales y satélites alcanzaba a 1 KW.  En 1973 el embargo de petróleo impuesto por la OPEC conlleva a una política de investigación del uso de celdas solares en la Tierra, Se investigan nuevos materiales para la construcción de las celdas, tales como el silicio policristalino, las celdas de película delgada, combinaciones CdS/Cu2 y Silicio amorfo, con el fin de abaratar los costos de éstas

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Historia de las celdas FV  En la década del 70 la NASA instala sistemas de generación fotovoltaica por todo EEUU para fines de refrigeración, iluminación de calles, iluminación clínica y aparatos de televisión, bombeo de agua, etc..  A principios de los años 80´, la compañía ARCO Solar fabricaba más de 1 MW de celdas solares por año. Es el comienzo de la masificación de módulos de 1,4 a 6 KW en torres de departamentos, áreas apartadas del tendido eléctrico, centros comerciales y prototipos de automóviles.

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Historia de las celdas FV  Producción mundial de celdas en el año 1982 era de 9,3 MW y en 1983 de 21,3 MW.  En 1985 se alcanzaba un 20 % de eficiencia en celdas fotovoltaicas.  En Chile se instalaron los primeros módulos en la década de los setenta, principalmente en lugares rurales con módulos de 50W y baterías de 150 Ah suministrando energía a artefactos de 12 V.  A principios de esta década se instala en la Antártica un sistema de 0.5 KW con baterías de 2,4 KWh para suministrar energía a equipos de un laboratorio.

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Historia de las celdas FV  En 1996 comienzan estudios para la utilización de cobre-indiodiselenio en celdas, y de celdas súper eficientes.  California cuenta con una planta de 6,5 MW produciendo alrededor de 12 millones de kWh por año, suministrando energía a unos 2.500 hogares como promedio.  A fines del siglo pasado en Grecia se aprueba la instalación de una planta de 5 MW en Creta, de un proyecto de 50 MW de la empresa Enron Solar.  En Chile, el año 2012 se aprueba la Ley 20.571 denominada Ley del Net Mettering.

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Celdas Solares  Las celdas solares son fabricadas a base de materiales que convierten directamente la luz solar en electricidad.  Hoy en día, la mayor parte de celdas solares utilizadas a nivel comercial son de silicio (símbolo químico: Si).  El silicio es lo que se conoce como un semiconductor.

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Celdas Solares

1.

Luz (fotones)

4. Capa de desviación

2.

Contacto frontal

5. Capa positiva

3.

Capa negativa

6. Contacto posterior

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Estructura de una celda solar  Las celdas solares de silicio pueden ser de tipo monocristalinas, policristalinas o amorfas. La diferencia entre ellas radica en la forma como los átomos de silicio están dispuestos, es decir, en la estructura cristalina. Existe, además, una diferencia en la eficiencia.  Eficiencia corresponde al porcentaje de luz solar que es transformado en electricidad.  Las celdas solares de silicio monocristalino y policristalino tienen casi el mismo y más alto nivel de eficiencia con respecto a las de silicio amorfo.

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Estructura de una celda solar Tabla 1. Eficiencias según tipo de celda. TIPO DE CELDA

EFICIENCIA DE CELDA

Monocristalina

Entre 12% y 15%

Policristalina

Entre 11% y 14%

Amorfa

Entre 6% y 7%

Teluro de Cadmio

Entre 7% y 8%

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Aspectos Normativos para ERNC Ley N°19.940 La Ley N° 19.940 (Ley Corta I, Marzo del 2004) regula el mercado de la transmisión, definiéndole un carácter de servicio público. El objetivo principal de esta ley fue asegurar el suministro eléctrico mejorando la interconexión entre el SING y el SIC. Algunos puntos importantes de esta ley:  Permite acceso a las redes de distribución para generadores inferiores a 9 MW.  Exime del pago del peaje troncal a las ERNC de hasta 20 MW.  Se crea el Panel de Expertos.  Se amplía el mercado para los clientes libres (2000 kW a 500 kW).  Se reduce la banda de precios libres de +/- 10% a +/- 5% para la fijación del precio nudo. 23

Aspectos Normativos Ley N° 20.018 La Ley N°20.018 (Ley Corta II, mayo de 2005) establece que las distribuidoras deberán licitar su suministro en condiciones competitivas y que un 5% de este deberá ser provisto por ERNC al precio que resulte de la licitación respectiva.

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Aspectos Normativos Ley N°20.257 La Ley N°20.257 busca diversificar las fuentes de suministro eléctrico, así como aumentar la seguridad de la matriz energética del país, además de estimular el desarrollo de las ERNC para mejorar la sustentabilidad económica. En pocas palabras tiene como objetivo crear condiciones para atraer inversiones en proyectos de ERNC. Además, esta ley obliga a los generadores con capacidad instalada superior a 200[MW] a comercializar un 10% de la energía proveniente de fuentes renovables no convencionales o de centrales hidroeléctricas cuya potencia sea inferior a 40[MW], sean propios o contratados. Las generadoras que no cumplan esta obligación deberán pagar un cargo de 0.4 UTM por cada MWh de ERNC no acreditado.

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Aspectos Normativos para ERNC Ley Nº 20.571 La Ley N°20.571 (Net Metering, abril 2012) regula el pago de las tarifas eléctricas de las generadoras residenciales y permitirá a todos los usuarios finales, sujetos a la fijación de precio, inyectar a la red de distribución los excedentes de energía eléctrica generada a través de los respectivos empalmes. Esto, siempre que está sea producido por medios renovables no convencionales o por cogeneración eficiente y una capacidad máxima instalada de 100KW. Incentiva el uso de ERNC como medio de generación en el país.

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Descripción Sistema Fotovoltaico (SFV) Subsistemas que lo conforman:  Subsistema fotovoltaico compuesto por la configuración serieparalelo de módulos o celdas solares y sus protecciones.  Subsistema de almacenamiento compuesto por la configuración serie-paralelo de acumuladores o baterías.  Subsistema de regulación de carga de los acumuladores, consistente en los circuitos electrónicos necesarios para procurar la carga correcta de los acumuladores e incluyendo las protecciones de sobrecarga y de descarga excesiva de los mismos.

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Descripción Sistema Fotovoltaico (SFV) Subsistemas que lo conforman:  Subsistema de conversión consistente en los equipos electrónicos que convierten continua en continua entre dos valores de tensión, o continua en alterna para proporcionar al usuario una línea de 220 V eficaces.  Subsistema de monitorización y registro consistente en los equipos de medida y registro necesarios para el seguimiento del funcionamiento del conjunto.

28

Descripción Sistema Fotovoltaico (SFV)

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¿Cómo dimensionar un SFV? Antecedentes Bajo condiciones nominales, el sol irradia 1.000 W/m2. Si se considera paneles de silicio monocristalino con una eficiencia de un 15% se tiene una producción de 150 W/m2 a condiciones nominales. Si se observa la Figura se aprecia que en nuestro país la radiación solar fluctúa entre 330 W/m2 y 270 W/m2 con una eficiencia de un 15% se tiene 50 W/m2 y 40 W/m2 respectivamente. Tomando como referencia 1m2 de superficie y con 50W promedio y un costo de la energía de 135 $/kWh se obtiene una generación equivalente 6,75 $/hora (o 162 $/día) promedio en la superficie terrestre.

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Carr, G. (Noviembre 2012). The Economist Sunny uplands Alternative energy will no longer be alternative. Disponible en: http://www.economist.com/news/21566414-alternative-energy-will-no-longer-be-alternative-sunny-uplands, fecha de visita 11 Octubre 2013 [1]

31

El precio de las celdas solares han ido decayendo a lo largo del tiempo desde 76,67 $/W a 0,74 $/W siguiendo la llamada “ley de Swanson”, que establece que los precios de las celdas fotovoltaicas descienden un 20% cada vez que se duplica la capacidad de la industria fotovoltaica [1]. La Figura muestra el decaimiento de los precios en el tiempo de las celdas FV. 32

Ejemplo de dimensionamiento de un SFV Caso Huerto de Arándanos (Chillán) Antes que todo se debe:  Identificar cargas y sus potencias nominales (W)  Identificar horas de operación diaria (horas)  Estimar energía diaria, mensual, anual

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Tabla. Resumen de potencias y energías promedio Area

Potencia (kW)

Tiempo Operación (Horas)

Energía (kWh/dia)

Energía (kWh/mes)

Riego

1,49

12

17,9

537

Packing

1,49

8

11,9

357

Iluminación

0,32

4,7

1,5

45

TOTAL

939

34

Tabla. Resumen mensuales consumos energéticos (kWh) mes

Riego

Packing

Iluminación

Total mes

Total anual

E

537

357

45

939

5.364

F

537

357

45

939

M

537

537

A

537

537

O

537

537

N

537

357

45

939

D

537

357

45

939

M J J A S

35

Gráfico de perfil energético del huerto (kWh)

1000 800 600 400 200 0 E

F

M

A

M

J

J

A

S

O

N

D

36

Considerando que el diseño fotovoltaico debe ser capaz de suministrar la totalidad del consumo eléctrico para todo el huerto 7 hectáreas, se determina la cantidad de energía eléctrica que debe ser generada por los paneles solares. Para determinar la potencia continua (DC) a instalar por el sistema fotovoltaico se debe calcular la radiación solar considerando el mes que presenta la peor condición. Según datos históricos o de mediciones in situ (piranómetro).

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Tabla con Irradiación Global Horizonal Promedio para Huerto 2007

2008

2009

2010

2011

2012

Prom. kWh/m2/día

E

8,59

8,71

8,45

8,32

8,13

8,18

8,47

F

7,27

7,6

7,71

7,16

7,23

7,21

7,45

M

5,77

5,95

6,14

5,58

5,71

5,85

5,8

A

3,83

4,2

4,22

4,0

4,12

4,12

4,05

M

2,45

2,44

2,35

2,41

2,41

2,19

2,37

J

1,82

1,71

1,61

1,6

1,8

1,75

1,67

J

2,11

1,68

2,28

2,1

2,14

2,4

2,08

A

3,26

2,78

2,54

2,96

2,89

2,67

2,89

S

4,45

4,9

4,81

4,71

4,61

4,6

4,62

O

5,77

6,26

5,33

5,37

6,02

5,98

5,76

N

8,01

7,99

6,8

7,29

7,45

7,56

7,48

D

8,52

8,3

8,15

7,82

8,94

7,52

8,15

38

El peor mes es abril con una energía de 4,05 kWh/m2/día. La potencia equivalente es 4,05 kW/m2 Se determinan las horas nominales de luz H_Nom en horas/día: H_Nom = Radiación solar/1kW/m2 = 4,05 horas/día Y a partir de ello la potencia en alterna (AC) que debe proveer el SFV E_reqHuerto = 5.364 (kWh/año) = Pac *H_Nom* 365 Pac = 5.364 / (4,05 * 365) = 3,63 kW

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Luego la potencia en continua (PCC o PDC) se determina considerando el rendimiento del conjunto. Normalmente el conjunto de elementos que participan generan un rendimiento total del 75% (η=0,75). Así entonces: PCC = PAC / η = 3,63 / 0,75 = 4,84 Kw Determinación del número de paneles Se debe especificar qué tipo de panel debemos emplear. En este caso se considera el panel solar CSUN de la empresa SUNPOWER modelo E20/327, debido a su alta eficiencia y potencia, lo que reduce el área empleada por los paneles y aumenta la cantidad de energía generada.

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Algunas de las características del panel son:      

Potencia máxima o peak, 327 W (Wp) Voltaje máximo o peak, 54,7 V Corriente máxima o peak 5,98 A Corriente de cortocircuitos STC, 6,46 A Eficiencia 20% Temperatura 47°

El total de paneles está dado: N°Paneles = PCC/Pmax_panel = 4,84 kW / 0,327 kW = 14,8 => 15 paneles

41

Configuración de los paneles La configuración de los paneles solares puede ser en serie, paralelo o mixta. Se propone una configuración mixta de 3 paneles en series con 5 ramas paralelas, donde el inversor KACO_Powador4501x satisface los requerimientos para ello. Algunas características del inversor son:  Tensión mínima de operación CC : 125 V  Tensión máxima de operación CC : 262 V  Tensión de la red AC : 220 V  Potencia Nominal AC : 4,6 kW  Potencia Máxima AC : 5,06 kW  Corriente nominal AC : 20 A  Corriente Máxima AC : 22 A

42

43

Especificación de dispositivos de Protección y conductores De los datos de placa del panel se tiene que la corriente de cortocircuito en STC de cada panel es de 6,46 [A]. Aplicando un factor de 125% por efectos de seguridad (temperatura > 25° en la placas, irradiación>1000w/m2) el fusible debe estar dimensionado para una corriente total de: Fusible DC_panel = 6,46*1,25*1,25 = 10,1 A Por lo tanto, el fusible del arreglo fotovoltaico debe ser capaz de desconectar las 5 ramas que se encuentran en paralelo, en efecto, deberá soportar una corriente de 50,5 A. Fusible DC_Arreglo = 50,5 A (llevarlo al standard comercial más cercano)

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Especificación de dispositivos de Protección y conductores Por su parte en el lado de corriente alterna CA se tiene que la protección queda dimensionada en función de la corriente nominal del inversor (16,5 A). Fusible_CA = 1,25* 6,5 = 20,7 A (llevarlo al standard comercial más cercano) A partir de las corrientes se puede definir los conductores para instalación de los módulos fotovoltaicos. Según Tabla 8.5 (NCh 4/2003) la sección nominal para los conductores del lado DC de nuestro diseño debe ser de 1,5 mm2 y 16 mm2 y para el lado AC de 4 mm2.

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Costo total del proyecto Energía anual consumida Energía anual generada Excedente de energía

: $8.014.267 : 5.364 kWh/año : 6.627 kWh/año : 1.263 kWh/año

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Dimensionamiento de grupo de baterias: Energía_consumida (Wh/dia)*Autonomía(dia) Capacidad (Ah) = ------------------------------------------------------Voltaje_Bateria (V) * η * Profundidad_Descarga

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Caso Biblioteca UdeC. Datos de radiación Comparación entre estaciones de medición 300

KWh/m²

250 200 150 100 50 0

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sept

Estacion Biblioteca

Oct

Nov

167,19

201,58

Dic

Estación Eula

237,72

184,21

158,83

113,44

66,18

52,51

67,44

77,07

138,77

180,14

228,28

251,83

Calor 2         U de Chile

248,00

194,88

172,67

119,35

101,40

47,10

62,31

85,56

134,10

178,87

219,90

241,18

Solarimetro U S M

211,61

161,69

141,72

94,44

59,44

39,47

51,81

80,47

113,22

158,89

187,78

205,78

PVSYST v5,71

199,00

157,00

134,00

92,00

58,00

40,00

47,00

70,00

80,00

142,00

174,00

201,00

Anonimo

214,00

161,99

143,74

94,99

54,74

43,50

47,74

73,99

109,24

158,99

185,99

207,73

48

Mediciones de radiación en Universidad de Concepción (Fuente Centro EULA) RADIACION MAXIMO

W/m² 2009

ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE PROMEDIO ANUAL

701,50 777,00 977,00 1057,80 1251,10 1300,70 1010,85

2010

2011

2012

1225,20 1376,30 1126,70 795,60 794,10 615,60

1315,60 1160,70 1163,70 836,30 752,60 567,90 586,10 890,00 1151,00 1306,00 1338,00 1348,00 1034,66

1357,00 1346,00 1123,00 1128,00 666,80 629,90 751,20 880,00 1047,00 1339,00 1338,00 1350,00 1079,66

897,00 978,50

976,13

2013

PROMEDIO ANUAL POR MES 1318,00 1303,95 1310,00 1298,25 1197,00 1152,60 923,00 920,73 702,80 729,08 467,10 596,40 704,77 911,00 1058,58 1298,70 1325,57 1349,00 986,32 1017,52

49

Link de interés http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=EuwfkW5M-kU#at=15 |

50

Ejemplos de aplicación

51

TALLERES ENERGÍA FOTOVOLTAICA: APLICACIONES EN EL HOGAR

Módulo: Conceptos básicos de energía fotovoltaica

Sábado 22 de Junio 2012, San Pedro de la Paz

Módulo: Conceptos básicos de energía fotovoltaica

Sábado 22 de Junio 2012, San Pedro de la Paz