1. Aplicaciones De La Energía Solar Fotovoltaica..pdf

DIPLOMADO EN INSTALACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES Y BIOCLIMÁTICAS. Cohorte II

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Energía Solar Fotovoltaica

Energía Solar Térmica

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ENERGÍA SOLAR FV

Grid-Tie

Off-Grid

Híbridos

Bombeo Solar

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Energía Solar Fotovoltaica.

Módulo I: Energía Solar Fotovoltaica Bucaramanga Octubre 2014.

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INTRODUCCIÓN. La electricidad es una de las formas de energía más versátil y que mejor se adapta a cada necesidad. Su utilización está tan extendida que hoy difícilmente podría concebirse una sociedad tecnológicamente avanzada que no hiciese uso de ella. Miles de diferentes aparatos están diseñados para funcionar alimentados con energía eléctrica, bien en forma de corriente continua de pequeña tensión, o de corriente alterna a tensiones mayores. Por ello resulta muy interesante la posibilidad de producir electricidad mediante una fuente energética segura y no contaminante, como es la energía solar. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

INTRODUCCIÓN. Proceso Fotovoltaico.

Efecto Fotovoltaico.

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¿Qué es el efecto Fotovoltaico?. El término fotovoltaico proviene del griego φώς:phos, que significa “luz” y voltaico, que proviene del campo de la electricidad, en honor al físico italiano Alejandro Volta, (que también proporciona el término voltio a la unidad de medida de la diferencia de potencial en el Sistema Internacional de medidas). El término fotovoltaico se comenzó a usar en Inglaterra desde el año 1849.

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¿Qué es el efecto Fotovoltaico?. El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Becquerel, pero la primera célula solar no se construyó hasta 1883. Su autor fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra de selenio semiconductor con un pan de oro para formar el empalme. Este primitivo dispositivo presentaba una eficiencia de sólo un 1%. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

¿Qué es el efecto Fotovoltaico?. En 1905 Albert Einstein dio la explicación teórica del efecto fotoeléctrico. Russell Ohl patentó la célula solar moderna en el año 1946, aunque Sven Ason Berglund había patentado, con anterioridad, un método que trataba de incrementar la capacidad de las células fotosensibles.

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¿Qué es el efecto Fotovoltaico?. La era moderna de la tecnología de potencia solar no llegó hasta el año 1954 cuando los Laboratorios Bell, descubrieron, de manera accidental, que los semiconductores de silicio dopado con ciertas impurezas, eran muy sensibles a la luz.

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¿Qué es el efecto Fotovoltaico?. La primera nave espacial que usó paneles solares fue el satélite norteamericano Vanguard 1, lanzado en marzo de 1958. Este hito generó un gran interés en la producción y lanzamiento de satélites geoestacionarios para el desarrollo de las comunicaciones, en los que la energía provendría de un dispositivo de captación de la luz solar. Fue un desarrollo crucial que estimuló la investigación por parte de algunos gobiernos y que impulsó la mejora de los paneles solares. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

¿Qué es el efecto Fotovoltaico?.

https://www.youtube.com/watch?v=Eddd2FxLjCo Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Descripción y aplicaciones Un sistema fotovoltaico (FV) es una disposición basada en módulos fotovoltaicos cuyo propósito fundamental es producir energía eléctrica. Dichos módulos convierten la luz del Sol en energía eléctrica.

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Descripción y aplicaciones La energía solar fotovoltaica está indicada para un muchas aplicaciones donde se requiere generar electricidad, bien sea para satisfacer las necesidades energéticas de aquellos que no disponen de la red eléctrica (sistemas fotovoltaicos autónomos), o bien, para generar energía a la red eléctrica (sistemas conectados a la red).

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Tipos de Sistemas FV. • Sistemas fotovoltaicos autónomos: son aquellos que están aislados de la red eléctrica. • Sistemas fotovoltaicos conectados a la red: son aquellos que están directamente conectados a la red eléctrica.

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Descripción y aplicaciones Una de las principales características de los generadores FV, que los diferencia de otras fuentes de energía renovable, es que solo generan electricidad cuando reciben la luz del Sol (irradiancia solar) y, obviamente, el total de energía que producen es directamente proporcional a la irradiancia solar que reciben en su superficie.

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Descripción y aplicaciones un sistema fotovoltaico estará formado por: • Un generador fotovoltaico. • Una batería de acumulación. • Un regulador de carga. • Un inversor. • El consumo.

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Instalaciones aisladas de la red eléctrica.

El número de aplicaciones es enorme: desde viviendas o equipamientos aislados y / o independientes, pasando por centrales eléctricas rurales, telecomunicaciones, bombeo de agua, protección catódica, señalizaciones, equipos de sonido, sistemas de iluminación, ordenadores o teléfonos portátiles, cámaras, calculadoras, etc.

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Instalaciones aisladas de la red eléctrica. Estos sistemas son empleados – fundamentalmente- en lugares en los que no tenemos acceso la red eléctrica y donde resulta más barato instalar un sistema fotovoltaico que tender una línea entre la red y el punto de consumo. Ya que los paneles únicamente producen energía en las horas con sol, y la energía es necesaria durante las 24 horas del día, tendremos que incluir un sistema de acumulación. Durante las horas de luz solar tendremos que producir más energía que la consumida, para así acumular la restante y poder utilizarla más tarde, cuando no se esté generando. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Instalaciones aisladas de la red eléctrica.

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Instalaciones aisladas de la red eléctrica. El cálculo de la cantidad de energía que se debe acumular viene determinado por las condiciones climáticas de la zona y el consumo de electricidad. De tal forma que, en una zona donde el número de días soleados al año sea elevado, se tendrá que acumular poca energía. Si el período sin sol es suficientemente largo, se tendrá que acumular más cantidad de energía.

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Algunas Definiciones

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Algunas Definiciones

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Elementos Los Módulos FV son generadores de potencia y el núcleo del sistema FV. Dichos módulos recogen la radiación solar y la transforman en corriente eléctrica continua (DC). Se establece entonces una relación, tal donde la cantidad de electricidad generada es directamente proporcional a la radiación recibida.

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Módulo Solar - Funcionamiento

http://youtu.be/8zQ9g71wNao Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Módulo Solar

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Módulo Solar – Fabricación.

https://youtu.be/bGlTVKHXYvk Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Módulo Solar – Fabricación.

https://youtu.be/jUbhmk9rIj8 Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Elementos

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Elementos

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Elementos

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Principales características • Alta fiabilidad. Consecuencia de su elevada fiabilidad, los sistemas FV son empleados para suministro energético de los satélites, donde la reparación es extremadamente costosa si no imposible, o en los sistemas profesionales de telecomunicaciones, donde se exigen probabilidades de fallo muy reducidas. • Bajos costes de operación. Las células FV utilizan la luz solar para transformarla en electricidad, y el coste del combustible es cero. Al no poseer piezas móviles, excepto en la utilización de seguidores solares, requieren escaso mantenimiento. En cambio, los costes iniciales del sistema son superiores a los de otras fuentes energéticas. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Principales características • Beneficios medio ambientales. Los sistemas FV son limpios y silenciosos. En la actualidad está en auge su utilización, motivada por los efectos de la contaminación de nuestro planeta. • Modularidad. Un sistema FV se puede agrandar con facilidad si aumentan las necesidades de consumo. La modularidad inherente de los sistemas solares FV hacen que exista gran flexibilidad en la potencia a instalar, desde unos pocos vatios hasta varios MW. • Bajos costes de construcción. Normalmente los sistemas FV están situados cerca de los lugares de consumo, evitando así pérdidas de transporte de la energía. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Aplicaciones típicas. • Sistemas de electrificación. •

Sistemas profesionales.

•

Sistemas agrícolas.

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Aplicaciones típicas. • Sistemas de iluminación exterior. Los sistemas de iluminación exterior son habitualmente sistemas descentralizados y de pequeño tamaño, que se adecuan perfectamente a las ventajas de los sistemas fotovoltaicos. En cada punto de luz se puede incluir su propio generador, batería y control para aportar la fiabilidad y flexibilidad óptima. Normalmente estos sistemas trabajan con un generador compuesto por uno o dos módulos. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Aplicaciones típicas. • Sistemas de iluminación exterior. Indicadores en carreteras. Indicadores de seguridad en autopistas. Iluminación de paradas de autobús. Iluminación de jardines. Linternas portátiles. Iluminación de vías públicas.

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Aplicaciones típicas. • Telecomunicaciones. Las telecomunicaciones y aplicaciones profesionales son uno de los primeros mercados a los que llegó la energía solar fotovoltaica. El equipo utilizado generalmente por estas aplicaciones trabaja en DC, derivando que la energía DC FV sea simple y económica. El tiempo de fallos, aunque bajo, en estos sistemas resulta terriblemente costoso, por tanto, la fiabilidad es crítica Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Aplicaciones típicas. • Aplicaciones de navegación. Al igual que en el mercado de las telecomunicaciones, la ayuda a la navegación demanda una elevada fiabilidad. Las señales luminosas deben trabajar en situaciones hostiles, durante todas las estaciones de año y en cualquier condición climática.

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Aplicaciones típicas. Habitualmente se sitúan en lugares remotos de difícil acceso, donde otras fuentes de energía resultarían muy caras. Como ejemplos de este tipo de aplicaciones podemos enumerar:

-Señales para el ferrocarril. -Boyas de señalización marítima. -Sistemas de aproximación aeropuertos. -Plataformas petrolíferas.

en

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Aplicaciones típicas. • Aplicaciones para vehículos. Los sistemas FV podemos utilizarlos en aplicaciones para vehículos para cargar sus baterías, en la operación de sus electrodomésticos y equipamiento. Por ejemplo, las caravanas pueden tener unos cuantos módulos ensamblados en el techo permanentemente, a fin de suministrar potencia para diversas aplicaciones como iluminación, radio, TV, pequeños electrodomésticos, y frigorífico. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Aplicaciones típicas.

https://youtu.be/2ZIVOFRGZ_U Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Configuraciones típicas Entre las posibles configuraciones de los sistemas fotovoltaicos autónomos encontramos desde sistemas simples, tales como un generador FV operando un consumo DC, hasta sistemas con almacenamiento y con consumos en DC o en DC+AC. El hecho de incorporar un inversor en el sistema fotovoltaico para hacer posible la utilización de consumos en corriente alterna acarrea una disminución en el rendimiento de operación del sistema a potencias muy inferiores a la potencia normal del inversor, debido a la curva de rendimiento típica de inversores autónomos Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Configuraciones típicas

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Configuraciones típicas

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Configuraciones típicas • Sistemas DC unimodulares, con un único módulo FV: para telemetría, electrificación doméstica y usos recreativos (mercado del ocio). • Sistemas DC simples: suministro directo a un consumo DC, sin almacenar la energía (como el bombeo de agua). •

Sistemas DC: para electrificación recreativos o aplicaciones industriales.

doméstica,

usos

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Configuraciones típicas • Sistemas AC: donde se pueden utilizar consumos en AC o DC. • Sistemas híbridos: en éstos se utiliza un generador auxiliar (generalmente diesel) para contrarrestar las demandas de energía no suministradas por el sistema FV. • Sistemas conectados a la red eléctrica: de dos tipos, centrales de potencia directamente conectadas a la red o sistemas integrados en edificios. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Configuraciones típicas •

Sistemas DC simples-bombeo de agua.

Es posible suministrar agua con la utilización de uno o dos módulos conectados directamente a una bomba DC. Hay muchos modelos aptos para 12 ó 24 V. La bomba puede ser de superficie o sumergible. Se puede usar un seguidor del punto de máxima potencia entre la bomba y el generador FV para optimizar el acoplo eléctrico y aumentar la transferencia energética. También es posible el diseño de sistemas de bombeo de más potencia (1 - 5 KWp) en virtud de la demanda de agua y de la profundidad de extracción. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Configuraciones típicas

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Configuraciones típicas

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Sistemas conectados a red.

En los sitios donde hay electricidad, la conexión a red de los sistemas fotovoltaicos ayuda a la reducción de emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera. Esta aplicación se ajusta muy bien a la curva de demanda de la electricidad. Cuando más energía se genera por los paneles, cuando tenemos luz solar, es cuando más electricidad es demandada. Al instalar un sistema fotovoltaico conectado a la red disponemos de una minicentral eléctrica que inyecta KWh. verdes a la red, para que se consuman allí donde los demanden, lo que evita pérdidas en transporte de electricidad Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Sistemas conectados a red.

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Sistemas conectados a red. Para que estas instalaciones sean técnicamente viables se requiere:

• La existencia de una línea de distribución eléctrica próxima, con capacidad para admitir la energía generada por la instalación fotovoltaica. • La determinación del punto de conexión con la compañía distribuidora. • Proyectar un sistema que incluya equipos de generación y transformación de primera calidad, con las protecciones establecidas y debidamente verificados y garantizados por los fabricantes, de acuerdo a la legislación vigente. • Una instalación realizada por un instalador especializado. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Sistemas conectados a red.

En las instalaciones conectadas a red, el tamaño de la instalación no está sujeto al consumo de electricidad de la vivienda o edificio, lo que facilita considerablemente su diseño. Para dimensionar la instalación es obligatorio conocer la inversión inicial, el espacio disponible y la rentabilidad que se quiere lograr, puesto que el consumo de electricidad es totalmente independiente de la energía producida por los paneles fotovoltaicos Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Sistemas conectados a red.

Centrales de potencia

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Sistemas conectados a red.

La energía solar fotovoltaica puede ser una fuente de generación de electricidad. Encontramos grandes centrales fotovoltaicas en España, Alemania, Italia, EE.UU., Suiza, Holanda, Grecia, etc. En estas centrales se hallan fácilmente potencias de varios MWp.

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Ejemplos.

Estadio Maracaná Rio de Janeiro, Brasil Tamaño: 390 kW Instalador: Light ESCO, EDF Consultoria

http://youtu.be/23RMZmCuLg0 Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Ejemplos.

Sede de Los NY JETS Nueva Jersey, Estados Unidos Tamaño:690 kW Instalador: SunDurance Energy

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Ejemplos.

Universidad William Patterson New Jersey, Estados Unidos Tamaño:2,7 MWp Instalador: SunDurance Energy

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Ejemplos.

Huerto Solar de Queen Creek Arizona, Estados Unidos Tamaño:25 MW Instalador: juwi Solar, inc.

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Ejemplos.

Central eléctrica de Poggiorsini Poggiorsini, BA, Italia Tamaño: 3 MW Instalador: ACEA RSE S.p.A.

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Ejemplos.

Central eléctrica montada en tierra Moura, Portugal Tamaño:46 MW Instalador:Acciona

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Ejemplos.

Estación de Energía Solar Ivanpah (Ivanpah Solar Electric Generating Station), desierto de Mojave, en la frontera de los estados de Nevada y California. Tamaño:400 MW Instalador:Google.

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Ejemplos. La planta, que pertenece a Google, NRG Energy y Brightsource Energy Inc., cuenta con unos 300.000 espejos concentrados en una superficie de 13.000 kilómetros cuadrados, y tiene la capacidad de producir 400 MW de energía y de abastecer con este valioso recurso a 140.000 edificios en California. La estación puede disminuir las emisiones de dióxido de carbono en más de 400.000 toneladas al año, lo que equivale a las emisiones de unos 72.000 coches

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Ejemplos.

Central eléctrica Desierto Atacama Tamaño:100MW Instalador:Sunedinson

http://www.sunedison.cl/grandes-plantas/nuestros-proyectos.html Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Introducción a la Energía Solar Fotovoltaica

http://youtu.be/VUSaAvxWwqo Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Sistemas conectados a red.

• Integración en edificios.

La utilización de sistemas FV como elemento integrado en las fachadas o tejados de los edificios (ventanas, muros, tejados, aleros) se ha extendido representativamente y es hoy día uno de los mercados con mayor desarrollo dentro de la FV, quizá porque cuenta con incentivos económicos que globalmente priman la generación de electricidad con sistemas FV. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Sistemas conectados a red.

El interés de la combinación en edificios, donde los módulos FV pueden integrarse como elementos constructivos, sirviendo frecuentemente como cubierta exterior y reduciendo costes de construcción, está en aumento, siendo de gran interés para la arquitectura al incorporarse en la tecnología como parte del diseño de edificios. La mayoría de estos sistemas han sido integrados en tejados, porque en esta ubicación alcanzan la máxima captación de energía solar Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Sistemas conectados a red.

http://youtu.be/I9ZZe4VC8sI

http://youtu.be/UxkBS0mDEpk Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Ventajas de la integración?

• Laminación de horas punta. La producción es generada sobre todo en horas punta de consumo, con lo que se evita que las compañías eléctricas tengan que sobredimensionar sus instalaciones para el abastecimiento de estos picos diurnos de consumo. • Reducción de costes. La energía se genera adyacente a los puntos de consumo, lo que reduce las pérdidas originadas por el transporte de energía desde las centrales de generación eléctrica convencional hasta los usuarios. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Ventajas de la integración?

• Fuente gratuita y renovable de energía. El gasto originado por la energía solar fotovoltaica es únicamente el coste inicial de la instalación. • Bajo mantenimiento. Los módulos FV, instalados hace 30 años, aún continúan en perfecto estado de operación, sin degradaciones significativas. El período de garantía que ofrecen los fabricantes de estos módulos se sitúan en el rango de los 20 a 25 años.

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Ventajas de la integración?

• No contamina. Las emisiones contaminantes son inapreciables y sólo se originan en los procesos de producción de las células y módulos fotovoltaicos. • Fuente inagotable. • Fundan nuevos materiales para su integración como elementos constructivos. • Dotan a un edificio de cierta personalidad, al combinar tecnología, estética y ecología. Msc. Oscar Andrés López Anaya email: [email protected] www.ergea.com.co

Módulos fotovoltaicos como elementos de un edificio

Habitualmente las propias superficies de los tejados o fachadas de los edificios y viviendas son utilizadas para la instalación de los módulos fotovoltaicos. En general, la orientación e inclinación de estas superficies no es coincidente con el valor óptimo que maximizaría la generación energética anual.

(Mataró - Barcelona). La fachada de esta biblioteca pública constituye uno de los primeros sistemas FV conectados a la red eléctrica, que está completamente integrado en un edificio, usando módulos híbridos termo-fotovoltaicos semitransparentes u opacos.

http://youtu.be/-V-iBYEuqFE?list=PL5X-deolt_Ml2DfD-6P9CZbP6PgXGIfka

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Módulos fotovoltaicos como elementos de un edificio

http://youtu.be/jkQPqnNqu94 Zytech. https://docs.google.com/file/d/0B46I dxmIMGUndTRnVzRZS0xuMHc/edit Brandoni Solaire. http://www.brandonisolare.com/pdf/ catalogo-prodotti.pdf

(Mataró - Barcelona). La fachada de esta biblioteca pública constituye uno de los primeros sistemas FV conectados a la red eléctrica, que está completamente integrado en un edificio, usando módulos híbridos termo-fotovoltaicos semitransparentes u opacos.

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