Energia Solar Fotovoltaica

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ES LA CONVERSION DIRECTADE LA LUZ SOLAR EN ENERGIA ELECTRICA APROVECHABLE, ATRAVES DE LOS MODULOS SOLARES QUE ESTAN FABRICADOS DE CELULAS DE SILICIO

Antecedentes: Los SFV son relativamente nuevos (últimos 30 años en el Perú). Pertenecen al tipo de energías renovables porque utilizan el sol como fuente, el cual es inagotable. Ventajas:  Muy confiables correctamente dimensionados.  Muchos años de vida útil.  Autónomos.  Costo operativo casi nulo. Desventajas:  Costo de instalación alto.  Baja eficiencia de células de Si (15 a 17%).  Áreas requeridas relativamente grandes para los paneles. Los SFV son recomendados para cargas pequeñas y/o en lugares remotos donde no haya otra forma de energía.

Antecedentes: Cuadro comparativo con otros sistemas de energía Sistema FV

Red Comercial

G.E.

Híbrido 50/50: GE - FV

Alto

Medio

Bajo

Medio Alto

Casi Nulo

Bajo

Muy Alto

Medio Bajo

Consumo de hidrocarburos

Cero

En el mejor de los casos: Bajo

Muy Alto

Bajo

Daño ambiental

Nulo

Nulo

Muy Alto

Bajo

Confiabilidad

Muy Alta

Alta

Media

Alta

Vida útil

My Larga

Muy Larga

Corta

Larga

Área requerida para el montaje

Grande

Mínima

Pequeña

Mediana

Dependencia del Clima

Muy alta

Cero

Cero

Alta

No permite

Permite sin

Permite sin

Permite aumentando el

problemas

problemas

Costo de Inversión Inicial Costo Operativo

Capacidad de cargas adicionales

% del aporte del G.E

Definiciones: Sistema Solar Fotovoltaico: Sistema compuesto por paneles o módulos solares FV, Controlador FV, Baterías y Accesorios, como se muestra:

Definiciones: Curva típica operativa teórica de un SFV puro:

Definiciones: Célula fotoeléctrica de Si:

Componente que recibe los rayos solares directamente y aprovechando el “Efecto FOTOVOLTAICO”, los convierte en electricidad del tipo DC (corriente continua) cuando se le conecta una “carga”, como se muestra seguidamente.

Definiciones: Paneles o módulos solares FV:

Paneles o módulos solares FV: Es la conjunción de varias células de Si en serie – paralelo para formar una unidad fácil de manipular, transporta e instalar.

Las tecnologías de fabricaciones son de los siguientes tipos:  Mono-cristalino: De cristales uniformes, algo de mayor eficiencia y de costo.  Poli-cristalino o Multi-cristalino: Cristales medianamente uniformes, eficiencia y costo similar al monocristalino.  Amorfos: Cristales desordenados, eficiencia menor y costo teóricamente menor.

Características eléctricas de los Paneles solares FV:

El panel FV funciona de acuerdo a su curva I-V como se muestra abajo. La potencia de salida está dada por el producto de los valores de I y V correspondientes. Esta curva I-V está dada para las siguientes condiciones Std.:  Irradiación de un Sol (1KW/m2)  Temperatura ambiente de 25°C,  Viento de 1 m/s (3,6 Km/h; 2,25 mph).  Masa de aire de 1,5.

Definiciones: Características eléctricas de los Paneles solares FV: Los datos técnicos que resultan de la curva anterior son:  Potencia pico (Wp), también conocida como capacidad del panel.  Tensión a potencia pico (Vpp )  Corriente a potencia pico (Ipp )  Tensión a circuito abierto (Vca )  Corriente de corto circuito (Icc ) Para el dimensionamiento por el método “AH” propuesto en le presente trabajo, los datos importantes que interviene son los tres primeros, Wp, Vpp y Ipp :

Definiciones: Pérdidas (deratings) eléctricas en los Paneles solares FV: Dos variables afectan la potencia de salida de los paneles: 1.La cantidad de irradiación (W/m2). LA CANTIDAD DE CORRIENTE GENERADA POR EL PANEL SOLAR, DEPENDE LINEALMENTE DE LA CANTIDAD DE IRRADIACIÓN QUE RECIBE

2. La temperatura de trabajo del panel (°C).

Las altas temperatura que toman las células expuestas al sol, merman muy significativamente el voltaje generado e incrementa ligeramente la corriente (despreciable), por ello es que recomendamos y optamos realizar los dimensionamientos tomando en cuenta los amperes.

Se recomienda utilizar sólo paneles de 36 células en serie.

Definiciones: Baterías: También llamadas acumuladores Es el componente que mediante un proceso electro-químico reversible, almacena energía para luego utilizarla, posee dos placas (positiva y negativa) que están inmersas en un electrolito . Batería de Plomo ácido: El electrolito es una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) de alto grado de pureza y agua destilada (H2O). Ambas placas están fabricadas de plomo y al terminarse la fabricación de la batería, la placa positiva se cubre con dióxido o peróxido de plomo (PbO2) y la placa negativa con plomo puro (Pb), tanto el PbO2 como el Pb son las materias activas de la batería. Cuando se descargan mediante un circuito externo conectado entre ambas placas, la batería entrega energía (electricidad) y las materias activas se convierten en sulfato de plomo (PbSO4) en ambas placas, condición indeseada por lo que la batería debe recargarse antes que la sulfatación progrese (cristalización), para lo que es necesario devolverle la energía antes consumida y así restituirse las materias activas de cada placa. El voltaje nominal es de 2 Volts.

Dentro de un sistema solar FV, el banco de baterías es el componente de mayor susceptibilidad a deteriorarse y tener un envejecimiento prematuro debido a la sulfatación (cristalización) de sus placas. Factores que determinan un envejecimiento prematuro:  Estado de Carga parcial: Se va dando la sulfatación de las placas, a menor carga parcial, mayor envejecimiento.  Tiempos prolongados a estado de carga parcial, a mayor periodo de carga parcial, mayor envejecimiento.  Las auto-descargas también envejecen la baterías, debe darse recargas de refresco cuando las baterías son almacenadas por largos periodos.  Sobrecargas (“lijan” los materiales activos de las placas) envejecen las baterías, a mayor sobrecarga mayor envejecimiento.

 Capacidad de una Batería: Es cuánta cantidad de electricidad en AH puede suministrar una batería desde plenamente cargada hasta plenamente descargada, ella viene referida a un régimen de descarga, a un voltaje final por celda y a una determinada temperatura (20 o 25°C).  Régimen de Descarga de una Batería: Es el tiempo al cual ha sido definido una capacidad, en 5 horas (C5), en 8 horas (C8) en 100 horas (C100), etc.  Voltaje final por celda: Es el voltaje al que una celda llegará al final de una descarga.  Auto-descarga de una Batería: Se da cuando la batería es almacenada por largos periodos (a partir de 15 o 30 días según marcas), el material activo se combina con el ácido sulfúrico en forma espontánea, suele ser de 2% a 4% mensual y puede devenir en un envejecimiento prematuro si no se hacen cargas de refresco.  Profundidad de descarga de una Batería: Es el % de descarga que ha entregado o entrega o está programado entregar una determinada batería.  Estado de Carga de un Banco de Baterías (SOC): Es el % de carga que tiene en un determinado momento  Recarga de una Batería: Es cuando la batería recibe energía adecuada en voltaje y en amperaje (electricidad DC), desde un Rectificador Cargador de Baterías que a su vez es alimentado por la red comercial o por un grupo electrógeno o desde otra fuente de energía (solar, eólica, etc.).

 DOD de una batería: Siglas de la expresión Daily Depth of Discharge (profundidad de descarga diaria), es una característica técnica muy importante de una batería de uso solar, es el ciclo de carga – descarga diario. Este dato técnico del fabricante indica cuántos ciclos “vivirá” la batería a una determinada DOD, por ejemplo: 2800 ciclos al 20% DOD o 1200 ciclos de vida al 50% DOD. Debe ser tomado en cuenta para su selección. En un sistema FV bien dimensionado el DOD no debe superar el 20%.  Baterías Automotrices: Para “arrancar” motores, son las más comunes y de fácil fabricación, de descarga superficial y su tiempo de vida es corto, muy poca disposición de soportar estados de descarga parciales, no son recomendadas para usos fotovoltaicos, mayormente son “abiertas” y de electrolito líquido, son las más baratas.  Baterías Estacionarias o Industriales: Son las usadas como respaldo de emergencias en centrales telefónicas, centros de cómputo, en los UPS, en las hidroeléctricas para control y maniobras, de fabricación especial para un trabajo medianamente rudo, de descarga profunda (hasta 70% u 80%), las hay de electrolito líquido (abiertas) y de electrolito gelificado (necesariamente selladas). Los tiempos de vida son largos (10 hasta 20 años según calidades de fabricaciones) ya que los DOD exigidos durante las prestaciones son muy bajos comparativamente, son medianamente caras según calidades y garantías que ofrecen los fabricantes.

 Baterías de tracción: De fabricación muy especial para un trabajo muy rudo, son las usadas en locomotoras en las minas, montacargas, carritos eléctricos, etc., donde se les somete a descargas profundas diariamente y luego se les recarga en tiempos cortos para poder volver a ser usadas inmediatamente. Los tiempos de vida son cortos (5 años), son las de mayores precios.  Baterías para uso fotovoltaico: De fabricación exprofeso para un trabajo medio rudo, con una tecnología de fabricación intermedia entre las estacionaria y las de tracción ya que diariamente son descargadas un % considerable (10 a 25%). Son de descarga profunda (hasta 70 u 80%), las hay de electrolito líquido (abiertas) y las de mayor uso, las de electrolito gelificado (selladas). Los tiempos de vida son largos (10 hasta 15 años según calidades de fabricaciones) ya que los ciclados DOD exigidos durante las prestaciones son medianamente bajos, son medianamente caras según calidades y garantías que ofrecen los fabricantes.  Autonomía de un Banco de Baterías: Es la capacidad en horas o días de que un banco de baterías alimente una determinada demanda hasta la máxima profundidad de descarga recomendada por el fabricante (50%, 70%, 80%, etc.), estando inicialmente 100% cargada.

 Tensión de recarga de baterías: Es el valor de tensión recomendado por el fabricante según sea una recarga de ecualización, de flotación o en un sistema FV, valor típico para el último caso entre 2.28 y 2.40 V por celda.  Tensión de flotación: También conocida como tensión de goteo, es el valor recomendado por el fabricante, de la tensión de carga de batería para la parte final de una recarga y para su mantenimiento plenamente cargada, se define para las baterías estacionarias cuando son recargadas por un rectificador cargador de baterías. Valor típico entre 2.20 y 2.30 V por celda.  Tensión de ecualización: Es el valor de tensión recomendado por el fabricante, para el proceso de recarga de la batería hasta que ésta llegue cerca al 100% SOC, luego debe bajar a tensión de flotación. Se define para baterías estacionarias cuando son recargadas por un rectificador cargador. Valor típico entre 2.30 y 2.40 V por celda.  Sobrecarga de una batería: Es cuando se aplica un voltaje mayor al necesario estando la batería ya plenamente cargada, ello es perjudicial ya que provoca gasificación del electrolito en mayor cantidad y determina un “lavado” de material activo de las placas y un envejecimiento prematuro.

Definiciones: Controlador Fotovoltaico: Es la unidad electrónica que controla y regula local y/o remotamente el sistema FV para un trabajo adecuado y autónomo, monitoreando que los diferentes niveles de operación queden entre umbrales mínimos y máximos. Su función principal es proteger las baterías, que se recarguen lo mejor posible y no se sobrecarguen ni se sobre-descarguen garantizando un mayor tiempo de vida de éstas. Primero, son reguladores de la recarga desconectando y reconectando los paneles hasta que las abterías alcancen su carga plena (100%), la desconexión de los paneles se consigue colocando éstos en circuito abierto o colocándolos en cortocircuito, segundo controlan que las baterías no se sobre-descarguen más de la profundidad recomendada por el fabricante mediante el control LVD (low voltage discconect).

Accesorios y opciones de los controladores:  Sensor de temperatura de batería conectado a un termistor  Protecciones por polaridades invertidas en todas sus entradas.  Protecciones por cortocircuitos y sobrecargas en todas sus entradas.  Protección de funcionamiento si el banco de baterías es desconectado.  Pantallas LCD indicadoras de parámetros de operación como corrientes, tensiones, estado de carga, niveles de ajuste de los diferentes parámetros operativos, datos históricos, etc.  Alarmas locales mediante Leds y/o buzzers y remotas mediante contactos secos o puertos de comunicaciones.

Definiciones: Inversor: Aparato electromecánico que convierte la corriente DC de entrada en corriente AC de salida, típicos 12 o 24 o 48 VDC / 220 VAC – 60 Hz.

Definiciones: Inversor de alta eficiencia: Aquellos cuyo consumo interno es entre 3 a 5% de la carga que transmiten, son los recomendados para un SFV. Inversor de onda sinusoidal pura: Aquellos cuyo THD a la salida no supera el 5%, esto es requerido para equipos de comunicaciones, equipos de control y equipos especiales. Inversor de onda semi-sinusoidal: También conocidos como de onda cuasisinusoidal u onda cuadrada o semi-cuadrada, el TDH de la salida es mucho mayor al 5%, es suficiente para lámparas, equipos musicales, TV y otros . Los parámetros más importantes a tener en cuenta , son:  La máxima potencia que pueden manejar.  El margen de sobrecarga transitoria y temporal que pueden tolerar para arrancar motores.  La eficiencia.  La forma de onda de la tensión de salida.  El máximo error de frecuencia.

Los inversores de alta eficiencia y de onda sinusoidal pura con un THD menor al 5% (ALTA CALIDAD DE ENERGÍA), son los que se usan en otros países, para conectar los sistemas FV a redes de distribución

Dimensionamiento de SFV: Este es un método sencillo, rápido, confiable, a ser realizada en una hoja EXCEL, basado en el balance energético denominado método de Cantidad de Electricidad “AH” (ampere-hora) y de acuerdo a las siguientes premisas principales:  Determinar con la mayor precisión posible, la demanda diaria promedio.  Definir la autonomía de acuerdo a la importancia de las cargas.  Según el lugar real de la instalación, definir la insolación típica a ser usada según el cuadro de irradiaciones que se dispone de la Universidad de Lowell-USA  Definir el voltaje de utilización, cargas DC y/o cargas AC con inversor. Debe realizarse un dimensionamiento para cada sistema solar FV que se pretende poner en servicio.