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ENERGÍA SOLAR

GENERACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA

Contenido

1

Generalidades/Principios de funcionamiento

2

Tecnologías usadas en celdas solares

3

Configuraciones/Componentes principales

4

Capacidades instaladas en el mundo

5

Algunos software empleados

1

GENERALIDADES Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO • • • •

Radiación solar-HSP Efecto fotoeléctrico Afectación de la temperatura Efecto sombra

1. Generalidades Consumo de la energía mundial

10.000 mil veces cantidad de energía requerida Fuente: Colombian guest, VcomB-Jul 07-2014

1. Generalidades Ventajas Costos de funcionamiento muy reducidos (el "combustible" es gratis). Mantenimiento bajo. No producen ruido. Fáciles de instalar. Opción prometedora donde la instalación de líneas eléctricas tradicionales resulta difícil y costosa.

Fuente: http://www.ipse.gov.co/comunicaciones-ipse/noticias-ipse/981proyectos-de-energias-renovables

1. Generalidades Parques mundiales The Desert Sunlight Solar Farm (USA)

Longyangxia Dam Solar Park (China)

• • • •

Potencia Instalada: 550 MW La instalación más grande en el mundo. 9 millones paneles de película delgada. 160.000 hogares

• Potencia Instalada: 320MW • Alimenta a 100.000 hogares • Se acoplan unidades de hidrogeneración.

NRG Energy RENI, PV Power Plants 2013

1. Generalidades Algunas aplicaciones

Fuente: Colombian guest, VcomB-Jul 07-2014

1. Generalidades Algunas aplicaciones

Fuente: Colombian guest, VcomB-Jul 07-2014

1. Generalidades Algunas aplicaciones

Fuente: Colombian guest, VcomB-Jul 07-2014

1. Generalidades Algunas aplicaciones

Fuente: Colombian guest, VcomB-Jul 07-2014

1. Generalidades Tipos de Radiación La energía solar varía en función de: La posición del Sol y la Tierra, del estado de la atmósfera y de la inclinación que posee la superficie que recibe la radiación. Tipos de radiación solar: Directa, difusa y albedo.

1. Generalidades Radiación mundial-HSP

1000 W/m2 Buen clima y soleado

5 kWh/m2 (5 horas diarias de sol) 2300 kWh/m2/año (Ecuador) 1700 kWh/m2/año (Sur de Europa) 1040 kWh/m2/año (Alemania)

1000𝑊. 1ℎ 𝐻𝑆𝑃 = 𝑚2

1. Generalidades Radiación mundial Atlas mundial de irradiancia solar promedio en un plano inclinado 30° hacia el sur [kWh/m2/día]

1. Generalidades Recurso solar en Colombia

Zonas de mayor radiación (diario anual) Guajira 5.5-5.75 kWh/m2 Llanos 4.75-5.25 kWh/m2 Recurso abundante y uniforme Medellín 4.0-4.5 horas de sol diarias (Radiación a condiciones estándar 1000 W/m2)

4-4.5 kWh/m2

Fuente: http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html

1. Generalidades Instrumentos para medir la radiación TIPO DE INSTRUMENTO

PARÁMETRO DE MEDIDA

Pirheliómetro absoluto

Radiación directa

Pirheliómetro de incidencia normal

Radiación directa

Pirheliómetro (con filtros)

Fotómetro solar

Piranómetro

Piranómetro espectral

Pirgeómetro

Radiación solar directa en bandas espectrales anchas Radiación solar directa en bandas espectrales estrechas. Radiación global, radiación celeste y radiación solar reflejada. Radiación global en intervalos espectrales de banda ancha. Radiación de onda larga descendente y ascendente.

1. Principios de funcionamiento Efecto fotoeléctrico Dopaje (Boro 3 e)

Dopaje (Fósforo 5 e)

1. Principios de funcionamiento Efecto fotoeléctrico 100% de la energía solar incidente 3% pérdidas por reflexión y sombreado sobre los contactos frontales 23% fotones con longitudes de onda larga, con una energía insuficiente para liberar electrones; se genera calor 32% fotones con longitud de onda corta, con exceso de energía (transmisión) 8,5% recombinación de portadores de carga libres 20% gradiente eléctrico en la celda, sobre todo en las regiones de transición 0,5% resistencia en serie que representa las pérdidas por conducción 13% energía eléctrica utilizable El efecto fotovoltaico tiene lugar cuando un electrón de la banda de valencia de un material (normalmente un semiconductor) es liberado a la banda de conducción al absorber un fotón con la suficiente energía que incide en el material. Cuaderno de Aplicaciones Técnicas N°10, ABB

1. Principios de funcionamiento Celdas SFV

1. Principios de funcionamiento Celdas SFV

1. Principios de funcionamiento Irradiancia de los módulos Cuando la irradiancia desciende, la corriente FV generada disminuye proporcionalmente, mientras que la variación de la tensión sin carga es mínima.

Eficiencia de conversión es la misma en un día claro y en otro nublado.

Module I-V curves tor varying irradiance and constant temperature

Fuente: Planning and Installing Photovoltaic Systems A guide for installers, architects and engineers. second edition

1. Principios de funcionamiento Temperatura de los módulos

Cuaderno de Aplicaciones Técnicas N°10, ABB

1. Principios de funcionamiento Temperatura de los módulos

Temperature increase and reduction in the annual energy yield for various PV array installation methods. Source: ISE (1997)

Fuente: Planning and Installing Photovoltaic Systems A guide for installers, architects and engineers. second edition

1. Principios de funcionamiento El efecto sombra Diodos de bypass para proteger al sistema. Garantiza el funcionamiento del módulo aunque se reduzca su eficiencia

Por razones de costo se instalan cubriendo entre 18 a 20 celdas. Un módulo de 36 a 40 celdas tiene dos diodos bypass, y uno con 72 celdas tiene 4 diodos aproximadamente. Fuente: Planning and Installing Photovoltaic Systems A guide for installers, architects and engineers. second edition

1. Principios de funcionamiento El efecto sombra

https://www.sfe-solar.com/noticias/articulos/efecto-de-las-sombras-en-un-panel-solar-fotovoltaico/

1. Principios de funcionamiento El efecto sombra

El voltaje MPP cae cerca a la mitad.

Fuente: Planning and Installing Photovoltaic Systems A guide for installers, architects and engineers. second edition

1. Principios de funcionamiento Standard Test Conditions (STC) Con el objetivo de poder comparar diferentes celdas o sistemas SFV, se especifican unas condiciones de prueba estándar con las que se calcula la característica V-I. se basan en la IEC 60904/DIN EN 60904.

1. Radiación vertical de 1000 W/m2 2. Temperatura de la celda de 25°C (±2°C) 3. Distribución del espectro solar de acuerdo a la IEC 60904-3 con una masa de aire AM = 1.5. La potencia nominal pico (kWp) representa la potencia eléctrica que es capaz de suministrar una planta FV bajo condiciones de prueba estándar (STC)

Cuaderno de Aplicaciones Técnicas N°10, ABB

1. Principios de funcionamiento Especificaciones técnicas

1. Principios de funcionamiento Especificaciones técnicas

•

Condiciones Estándar Radiación: 1000W/m2 – Masa del aire: 1.5 – Temp:25°C± 2 • La corriente se afecta mayormente con la irradiancia, la tensión con la temperatura. INFO

(Sanyo, 2009)

2

TECNOLOGÍAS USADAS EN LAS CELDAS SOLARES • Clasificación • Eficiencias • Costos

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Clasificación

cobre, indio y selenio (CIS) cobre, indio, galio y selenio (CIGS) cobre, indio, galio, selenio y azufre (CIGSS).

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Espectro solar

Fuente: Colombian guest, VcomB-Jul 07-2014

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Proceso de fabricación (celdas de silicio) Lingote desarrollado a 1400°C

INFO

Proceso de fabricación de celdas SFV-App Rexroth-Bosch

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Celdas de silicio cristalino •

Monocristalinas (Si-C) Una sola plancha de semiconductor Circulares u octogonales 1/3 a 1/2 mm lingote desarrollado a 1400°C. 100cm2 – 1.5W@ 0.5V y 3A

•

Policristalinas (Si-C) Múltiples cristales dispuestos al azar. Material de menor calidad. Se obtienen de cintas y lingotes por moldeado.

•

Amorfas (Si-a) El silicio aún no se ha cristalizado. Electrodomésticos, camping, botes, arquitectura.

INFO

Proceso de fabricación de celdas SFV-App Rexroth-Bosch https://www.nrel.gov/pv/high-efficiency-crystalline-photovoltaics.html

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Celdas de película delgada (thin film) •

Arseniuro de Galio (GaAs) Galio muy escaso y el arsénico venenoso Muy alta eficiencia Aplicaciones espaciales, muy costosas. Eficiencias 25- 30%

•

Teluro de Cadmio (CdTe) Deposición de silicio sobre un sustrato de CdTe Sublimación en vacío Aplicaciones gran escala [=] MW

•

Cobre Indio Galio Selenio (CIGS) Cobre Indio Sulfuro (CIS) Deposición de silicio sobre un sustrato de CIGS Sublimación en vacío, baño químico o electrodeposición Mejor eficiencia entre todas las de película delgada

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Multi-juntura y de película delgada

Fuente: Colombian guest, VcomB-Jul 07-2014

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Comparación de producción

Planning and Installing Photovoltaic Systems. A guide for installers, architects and engineers.

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Áreas requeridas y eficiencia

PV Power Plants 2013, RENI (2013)

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Nuevas tecnologías

Celdas esféricas (sphelar cells) Aprovechan la luz desde prácticamente cualquier ángulo y con un tamaño inferior al de las células tradicionales pasando de los 72 mm a 1-1.5 mm.

INFO

(kiosemi, 2007)

INFO

(sunrgi, 2008)

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Nuevas tecnologías

Celdas concentradas Funcionamiento como efecto Lupa. Los sistemas alcanzan altas temperaturas y se hace imprescindible refrigerar para mantener las eficiencias altas.

INFO

(sunrgi, 2008)

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Eficiencias

Concentradas-Multiunión

GaAs Cristalinas

Película

Fuete: http://phys.org/news/2017-05-nrel-efficiency-solar-cell.html

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Investigación y desarrollo

2. Tecnologías usadas en celdas SFV Investigación y desarrollo •

Celdas de perovskita Mineral compuesto por un trióxido de titanio y de calcio. Eficiencias alcanzadas hasta el 22% en pocos años. Se desconoce su desempeño en el tiempo.

•

Celda solar de puntos cuánticos Nanocristales hechos de materiales semiconductores Podrían alcanzar eficiencias superiores al 65%. Se desconoce su desempeño en el tiempo.

3

CONFIGURACIONES/COMPONENTES PRINCIPALES • • • •

Clasificación Configuraciones Componentes principales Costos

3. Configuraciones Clasificación de los sistemas SFV

Ideal para ZNI

3. Configuraciones Componentes sistemas aislados

Cuaderno de Aplicaciones Técnicas N°10, ABB

Autoconsumo con almacenamiento

Energía fotovoltaica inyectada a la red Energía almacenada en las baterías Autoconsumo fotovoltaico

Energía extraída de la batería

3. Configuraciones Componentes sistemas conectados a la red

Cuaderno de Aplicaciones Técnicas N°10, ABB

3. Configuraciones Autoconsumo instantáneo

Fuente Curso Sena. Mauricio Acosta. Hybrytec.

3. Configuraciones Tipos de instalaciones

Instalaciones Fijas Soporte sencillo sin movimiento.

Instalaciones con Seguidores • Seguimiento de 1 eje: rotación horizontal o vertical u oblicuo. • Seguimiento de 2 ejes: seguimiento total del sol.

https://www.youtube.com/watch?v=Dp0JpqU7uwM

3. Configuraciones Horizontal vs Tracking

+50% - Soleados +300% - Invierno http://www.solarindustrymag.com/issues/SI1311/FEAT_02_Tracking-Systems-Boost-Eco-Efficiency.html Planning and Installing Photovoltaic Systems. A guide for installers, architects and engineers.

3. Configuraciones Instalación

Planning and Installing Photovoltaic Systems. A guide for installers, architects and engineers.

3. Configuraciones Instalación

http://www.solarindustrymag.com/issues/SI1311/FEAT_02_Tracking-Systems-Boost-Eco-Efficiency.html Planning and Installing Photovoltaic Systems. A guide for installers, architects and engineers.

3. Componentes Inversores-Clasificación

3. Componentes Inversores-Propiedades Día soleado

Día nublado Valores instantáneos

Promedios horarios

Seguimiento del punto máximo de potencia • • •

Las condiciones para la generación son variables. El inversor debe adaptarse a los cambios del MPP. Existe un parámetro: la eficiencia en el seguimiento. Planning and Installing Photovoltaic Systems. A guide for installers, architects and engineers.

Fuente: (Fraunhoffer, 2006)

3. Componentes Inversores-Selección del voltaje

Planning and Installing Photovoltaic Systems. A guide for installers, architects and engineers.

4

CAPACIDADES INSTALADAS • Evolución • Capacidades instaladas en el mundo • Capacidades instaladas en Colombia

4. Capacidades instaladas Evolución de las instalaciones SFV

Fuente: http://www.fi-powerweb.com/Renewable-Energy.html

4. Capacidades instaladas Evolución de las instalaciones SFV Instalaciones solares en el mundo superan los 104 GW en 2018 (incremento anual)

4. Capacidades instaladas Evolución de las instalaciones SFV

LCOE Levelized Cost of Energy

4. Capacidades instaladas Redes conectadas y aisladas

4. Capacidades instaladas Evolución de la industria

4. Capacidades instaladas Costos

file:///C:/Users/000022790/Downloads/IRENA_2017_Power_Costs_2018.pdf

4. Capacidades instaladas Costos-Comparación SFV-Eólica

37USD¢/Wp (Q1-2016) 29USD¢/Wp(Q4-2017) Objetivo Canadian Solar

Record: 800MW)

29.9USD/MWh

Dubai(Proyecto

Hito: (2016) SFV más barata que la Eólica Onshore

Fuente: EPIA, 2016

4. Capacidades instaladas Ventajas en aspectos regulatorios Colombia Ley 1715 de 2014 Depreciación acelerada Impuestos de renta Exención IVA y aranceles

4. Capacidades instaladas Ventajas en aspectos regulatorios Colombia

4. Capacidades instaladas Ventajas en aspectos regulatorios Colombia

http://www.elmundo.com/noticia/EPM-buscara-aprovechar-sus-embalsespara-generar-energia-solar/369868

4. Capacidades instaladas Algunos desarrollos solares en Colombia

http://www.hybrytec.com/

4. Capacidades instaladas Algunos desarrollos solares en Colombia

http://www.hybrytec.com/

4. Capacidades instaladas Algunos desarrollos solares en Colombia

Almacenes éxito Barranquilla

24% de la energía consumida por el almacén. Aprox. 500 kW

https://www.youtube.com/watch?v=xs6uw2mNb8o&feature=youtu.be

4. Capacidades instaladas Algunos desarrollos solares en Colombia

18 hectáreas, capacidad de 9,9 MW y generará 16 GWh de energía. 35.000 paneles

http://www.portafolio.co/negocios/empresas/asi-sera-la-granja-de-energiasolar-que-construira-de-celsia-en-yumbo-503229

4. Capacidades instaladas Algunos desarrollos solares en Colombia

 

Vigía del fuerte (Antioquia) y Bojayá (Chocó). Sistema híbrido y alumbrado público Nazareth (Guajira)

4. Capacidades instaladas Algunos desarrollos solares en Colombia-Micro Red UPB

4. Capacidades instaladas Algunos desarrollos solares en Colombia-Micro Red UPB

Centro de control Micro-Red UPB

4. Capacidades instaladas Algunos desarrollos solares en Colombia-Micro Red UPB

5 generadores PV Instalado aprox: 83 kWp

4. Capacidades instaladas Algunos desarrollos solares en Colombia-Micro Red UPB

5

Algunos software empleados • Homer Energy. • RetScreen. • PVSyst

5. Software empleados Valoración del recurso solar Fuentes de información

Radiación solar global (datos HomerTM).

Radiación solar global (datos RetScreenTM).

5. Software empleados Valoración del recurso solar Fuentes de información Radiación solar región andina Enero

3.5 – 4.0

Febrero

4.0 – 4.5

Marzo

4.0 – 4.5

Abril

3.5 – 4.0

Mayo

3.5 – 4.0

Junio

4.0 – 4.5

Julio

5.0 – 5.5

Agosto

4.5 – 5.0

Septiembre

4.0 – 4.5

Octubre

3.5 – 4.0

Noviembre

3.5 – 4.0

Diciembre

3.5 – 4.0

Mes

Cielo Contaminado

Mes

[kWh/m2/día]

Radiación solar 2008

2009

Enero

3,84

Enero

4.279

Febrero

4,18

Febrero

4.018

Marzo

4,52

Marzo

4.112

Abril

4,68

Abril

4.259

Mayo

4,61

Mayo

4.314

4.290

Junio

4,52

Junio

4.805

3.717

Indicadores de ProgresoJulio

4,56

Julio

4.797

4.882

Agosto

4,67

Agosto

4.978

5.111

Septiembre

4,61

Septiembre

4.752

5.349

Octubre

4,31

Octubre

4.715

4.397

Noviembre

3,93

Noviembre

3.615

4.178

Diciembre

3,72

Diciembre

4.190

4.488

4,34

PROMEDIO ANUAL

4.317

4.427

PROMEDIO ANUAL

3.8 – 4.3

UPME, IDEAM (2005)

PROMEDIO ANUAL

Modelo Teórico de Perrin de Bichambaut

Medidas UNalMed (2009)

Nota: unidades en: Manual de Radiación Solar en Colombia (1992)

NASA (2011)

5. Software empleados PVSyst Diseños

Manual de Radiación Solar en Colombia (1992)

5. Software empleados HOMER Diseños

Manual de Radiación Solar en Colombia (1992)

Gracias por su atención Gabriel J. Lopez J, Ph.D

Investigador Grupo Transmisión y Distribución de Energía Eléctrica TyD Universidad Pontificia Bolivariana __________________________________________________________ TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

[email protected] www.upb.edu.co Micro-Red UPB: http://microred.upb.edu.co/