Diplomado Paneles Fotovoltaicos.pptx

Sistemas Fotovoltaicos (PV)
Módulo V
Facilitadores:
Ing. Alexander Cepeda Q. MSc.
Ing. Julian Pérez M.

Objetivos Específicos:
 Comprender el principio de funcionamiento
de los paneles fotovoltaicos, los equipos
auxiliares necesarios para su uso práctico,
la metodología para su selección y cómo
acoplarlos a otros sistemas solares para su
operación en isla y en edificios ecológicos.

Contenido:
 Conceptos y fundamentos.
 Sistemas fotovoltaicos.
 Sistemas híbridos.
 Evaluación económica de sistemas solares.

Introducción:
 En años recientes ha habido un creciente interés
por la celda solar como una fuente alternativa
energía. Cuando consideramos que la densidad de
potencia recibida del sol, al nivel del mar, es de
aproximadamente 1𝑘𝑊/𝑚2
, se ratifica que esta
fuente de energía requiere más investigación y
desarrollo para maximizar la eficiencia de la
conversión de energía solar a eléctrica.

Conceptos y fundamentos:
Concepto General:
 Los paneles o módulos
fotovoltaicos (llamados
comúnmente paneles solares)
están formados por un conjunto
de celdas fotovoltaicas que
producen electricidad a partir
de la luz que incide sobre ellos
(energía solar fotovoltaica).

 Las celdas fotovoltaicas (celdas
solares) son dispositivos de
conversión directa que transforman
(sin procesos intermedios) la
potencia del sol en potencia
eléctrica DC.

Tipos de Celdas Solares:
 a) Celdas de arseniuro de galio.
Rendimiento cercano al 27% - 28%, tecnología
poco avanzada y costes elevados.
 b) Celdas de sulfuro de cadmio y sulfuro de
azufre.
Bajos rendimientos. Posible alternativa de bajo
coste en el futuro.

 c) Celdas bifaciales.
Celdas activas en sus dos caras. Rendimiento
cercano al 30% pero muy costosas y de alta
complejidad en la instalación.
 d) Celdas de silicio amorfo.
Su espesor llega a ser 50 veces menor que el
equivalente en silicio monocristalino. Eficiencia
en torno al 9%, pudiendo aumentar en las
versiones multicapa.

 e) Celdas de silicio policristalino.
Rendimiento de hasta el 14%. Posibilidad de
producirlas directamente en forma cuadrada.
 f) Celdas de silicio monocristalino.
Son las más empleadas en la actualidad. No
olvidemos que el silicio es el material más
abundante en la Tierra después del oxígeno.

Los paneles solares de Si se dividen en:
 Cristalinos:
Monocristalinos: se componen de
secciones de un único cristal de
silicio (Si).
Policristalinas: cuando están
formadas por pequeñas partículas
cristalizadas.

Los paneles solares de Si se dividen en:
 Amorfos: cuando el silicio no se ha
cristalizado.

 Tecnología de película delgada:

 Tecnología de película delgada:
Hecha mediante depósitos de capas de silicio
amorfo (aSi), telurio de cadmio (GdTe), o cobre
indio diseleniuro (GIS) en un vidrio, metal o una
superficie plástica; estos paneles fotovoltaicos (PV)
son normalmente menos costosas y menos
eficientes que las de silicio cristalino.

Precio de las Celdas Solares:
Wp= Watt pico

Principio de funcionamiento:
 Los átomos con un electrón
de valencia más que el silicio
son utilizados para producir
semiconductores tipo N
(Negativo), mientras que los
átomos con un electrón de
valencia menos se utilizan
para producir
semiconductores de tipo P
(Positivo).

 Construcción básica de una celda solar de unión
p-n de silicio:

 Se hace todo tipo de
esfuerzos para asegurar que
el área superficial
perpendicular al sol sea
máxima. Además, la capa
metálica conectada al
material tipo n y su grosor son
tales que aseguran que un
número máximo de fotones
de energía luminosa alcancen
la unión.

 Algunos de los fotones, que provienen de la
radiación solar, impactan sobre la primera
superficie del panel, penetrando en este y
siendo absorbidos por el material
semiconductor de silicio.

 Los electrones que se alojan en las orbitas
de energía, son golpeados por los fotones
(interaccionan) liberándose de los átomos a
los que estaban originalmente confinados.
 Esto les permite, posteriormente, circular a
través del material y producir electricidad.

 El Sol emite radiación a una temperatura que se
puede aproximar a 6.000K.
 Aunque la radiación en la superficie del sol es
prácticamente constante, en el momento en
que ésta llega a la superficie terrestre, pasa a
ser altamente variable, debido a la absorción y
dispersión de la atmósfera terrestre

 Horas de sol pico:
Es el número de horas
global con una
radiación de 1𝑘𝑊/𝑚2

 Cuando el cielo está claro, la
máxima radiación se produce
cuando la luz incide
perpendicularmente a la
superficie de la tierra, siendo
mínimo el camino que recorre
dicha luz a través de la atmósfera.

 Este camino que recorre la luz puede
aproximarse, por cuanto el sol está a
un ángulo respecto al de máxima
radiación. A este camino se le conoce
comúnmente como “Air Mass” (Masa
de Aire)
cos
1
Air Mass



 Cuando el ángulo ∅=0°, se recibe el “Air Mass”
igual a 1 o AM1 y cuando ∅=60°, se recibe el
“Air Mass” igual a 2 o AM2.
 Sin embargo, el espectro solar de referencia
para el campo de la fotovoltaica es el AM1.5
que es el equivalente a un ángulo solar de
∅=48,2° y tiene una irradiación muy cercana a
970 𝑊/𝑚2
. Dicha irradiación se normaliza a
1𝑘𝑊/𝑚2
= (1 Sol)

 La radiación proveniente del sol tiene una distribución
espectral como se muestra:

 También se representa de esta manera:

 Los fotones más energéticos corresponden a
las menores longitudes de onda (UV: Ultra
violeta y color violeta) y los menos energéticos
al infrarrojo y en el visible, al rojo.

 Puesto que la energía de los fotones que
componen la luz y la longitud de onda de la
luz, están relacionadas por la ecuación:
hC
Energía de un fotón


: , .
. )
/
34
8
h constante de Planck 6 62 10 Js
c velocidad de la luz 3 10 m s


 
/
(
, )
Su energía está dada por E 1 24 m eV
 
 Un Joule equivale a
6,2415×1018 eV

Modelo Eléctrico:
 En 1839 Becquerel observó que ciertos
materiales, al ser expuestos a la luz, producían
una corriente eléctrica. Esto es conocido hoy en
día como efecto fotovoltaico y es la base del
funcionamiento de las celdas solares.

Modelo Eléctrico:
 Una celda fotovoltaica es una unión PN con la
particularidad de que si no está iluminada se
comporta como un diodo y por tanto, la corriente
es la determinada por su modelo matemático.

Modelo Eléctrico:
 La corriente eléctrica que atraviesa el diodo
es:
qV
kT
S D
I I e 1 I

 
  
 
 
 
D
S
I Intensidad de la corriente que atraviesa el diodo
V Diferencia de tensión entre sus extremos
I Corriente inversa de saturación
q Carga del electrón
T Temperatura absoluta de la unión
k Constante de B






.
oltzmann
Factor de idealidad
 

Modelo Eléctrico:
 Al estar iluminada, a la corriente del Diodo, se
le suma la corriente fotogenerada :
qV
kT
L S L D
I I I e 1 I I

 
    
 
 
 
D
L
I Intensidad de la corriente que atraviesa el diodo
I Corriente fotogenerada



Modelo Eléctrico:
 Una celda real se puede representar por el
siguiente circuito, donde se agrega al circuito
ideal una resistencia en serie y otra en
paralelo:

 La resistencia en paralelo puede ser debido a:
i) la fuga de corriente por la superficie de los
bordes de la celda.
ii) defectos estructurales, etc.
Modelo Eléctrico :

 Y La resistencia en serie puede ser debido a:
i) la resistencia de los contactos metálicos
con el semiconductor;
ii) la resistencia ofrecida por las capas
semiconductoras de la celda y,
iii) la resistencia de la rejilla o de
metalización frontal.
Modelo Eléctrico :

 La figura representa un
conjunto típico de
características de salida para
celdas solares de silicio de 10%
eficiencia con un área activa de
1 𝑐𝑚2
. Se muestra, además, el
lugar geométrico de la
potencia.
Modelo Eléctrico :

 Parámetros de una celda solar:
Intensidad de cortocircuito (Icc o Isc): Es aquella
que se produce a tensión cero.
Tensión de circuito abierto (Vca o Voc): Representa
la tensión máxima que puede dar una celda.
Potencia pico (Wp o Mpp): Es la potencia eléctrica
máxima que puede suministrar una celda.
Parámetros:

Curvas:

 El rendimiento se define como el cociente
entre la potencia eléctrica máxima que
puede suministrar una célula fotovoltaica y
la potencia luminosa que incide sobre su
superficie.
Rendimiento:
%
Potencia máxima suministrada por una celda fotovoltaica
100
Potencia luminosa incidente sobre su superficie
  

 El rendimiento obtenido en laboratorio sobre
células de silicio monocristalino es del 22% -
24%, pero una vez que se pasa a su
fabricación masiva éste baja a un valor
aproximado del 15%, lo que quiere decir que,
de cada 100 vatios que recibimos del Sol, tan
sólo 15 se aprovechan para nuestro uso.
Rendimiento:

 El hecho del rendimiento tan bajo se debe
fundamentalmente a los siguientes factores:
a) Energía insuficiente de los fotones incidentes.
b) Pérdidas por recombinación.
c) Pérdidas por reflexión.
d) Pérdidas por los contactos eléctricos.
e) Pérdidas por resistencia serie.
Rendimiento:

Rendimiento:

Sistemas fotoeléctricos:
Componentes:
 Los componentes básicos de los
sistemas fotovoltaicos son:
Panel solar: Es el componente
encargado de captar y generar la
energía eléctrica a partir de la
radiación solar.

Componentes:

Componentes:
 Regulador de carga:
Es el componente encargado
de proporcionar la regulación
de carga y descarga de las
baterías.
Las funciones especificas de un
controlador pudieran ser:

Componentes:
Regulador de carga:
Desconexión por alto voltaje (eliminar el
flujo de corriente a las baterías cuando
estas están totalmente cargadas).
Desconexión por bajo voltaje
(desconectar las baterías para que ya no
se descarguen para evitar daño).

Componentes:
Regulador de carga:
Protección para polaridad invertida.
Protección contra retorno de corriente
(evitar la descarga de las baterías hacia los
paneles).
Conexión y desconexión por presencia o
ausencia de luz solar.
Medir voltaje y corriente en las baterías.

Componentes:
 Batería
La misión principal dentro de un
sistema solar fotovoltaico consiste
en suministrar energía tal y como
es demandada por la carga,
independientemente de la
producción eléctrica del panel en
ese preciso momento.

Componentes:
 Batería:
Cumple, por otra parte, una misión
de fiabilidad, ya que también tiene
la función de poder alimentar a la
carga, cuando la producción del
panel es baja debido a las
condiciones meteorológicas
adversas.

Componentes:
Inversor: Es el componente
encargado de adaptar y trasladar
la energía eléctrica generada a la
carga AC

Componentes:
Las características propias para elegir un
inversor son:
Tipo de carga (alterna).
Forma de onda de salida (sinusoidal, cuadrada).
Voltajes de entrada y de salida.
Protección contra sobrecargas.
Eficiencia de operación.
Factor de potencia.

Tipos de sistemas fotovoltaicos:
 Paneles solares directamente conectados a una
carga:
Es el sistema mas simple en el cual el generador
fotovoltaico se conecta directamente a la
carga:
Ref. IEEE Std 1374-1998

 Sistema módulo batería:
Se puede utilizar un módulo fotovoltaico para
reponer simplemente la descarga de un banco
de baterías:

 Híbrido: Un sistema fotovoltaico conectado a
una o más fuentes de energía no renovables,
como un generador accionado por el motor, o
conectado a otra fuente de energía renovable,
como una turbina eólica. Ref. IEEE Std 1374-
1998

 Sistema fotovoltaico general:
Es el sistema en el cual se tiene
contemplado manejar diferentes tipos de
carga: de C.A. y/o de C.D. usando ya sea
inversor para C.A. o alimentación directa
para C.D.

 Sistema fotovoltaico
general:

 Sistemas fotovoltaicos conectado a la red:

Sistema fotovoltaico
conectado a la red:

conectado a la carga:

autónomo:

 Híbrido:

 Completo:

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