Energías Renovables Modulo 2.1 Energía Solar

Fotovoltaica

CONTENIDO  1.   RECURSO  SOLAR  

2.   EFECTO  FOTOVOLTAICO.  BREVE  TEORIA  DE  SEMICONDUCTORES  

3.   CARACTERISTICAS  V  –  I  DE  ILUMINACION  

4.   CONDICIONES  DE  MEDIDA  ESTANDAR  STC  

5.   INFLUENCIA  DE  LA  TEMPERATURA  

6.   TIPOS  DE  CELULAS  

7.   MODULO  FOTOVOLTAICO  

 

 

POTENCIA ELECTRICA Y ENERGIA …

�  Potencia eléctrica es la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado y se expresa en Joules por segundo. Un Joule/seg equivale a un (1) Watt. Por ejemplo, en una red de 110Vac/60Hz todos los aparatos utilizados consumen los mismos 110Vac al ser conectados, pero cada uno necesita una cantidad diferente de electrones (Amperios) para poder funcionar. Esa relación de voltaje y corriente es la potencia y se expresa en W.

�  Energía es el tiempo durante el cual un elemento consume una potencia P, expresada en Watts. Normalmente ese tiempo se mide en una hora y se expresa en Watt-hora (Wh).

�  Por ejemplo, un computador portátil que consume 65W y que se utiliza constantemente durante 3.5 horas consume 227,5Wh = 65W x 3.5 horas.

La radiación incidente sobre un plano horizontal (perpendicular a los rayos del sol) fuera de la atmosfera recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1373 W/m2 (potencia).

La potencia que llega a la superficie terrestre depende del espesor de la atmosfera que tiene que atravesar ese rayo de sol. En promedio, la potencia que llega al nivel del mar, al medio día, con un cielo claro es de 1000 W/m2.

1. EL RECURSO SOLAR

Flujo  energé,co  entre  el  sol,  la  atmosfera  y  el  suelo  

ABSORCIÓN  Y  DISPERSIÓN  DE  LA  LUZ  POR  LA  ATMOSFERA    La  radiación  electromagné1ca  interacciona  con  las  moléculas  de  los  gases  componentes  de  la  atmosfera,  dando  lugar  a  la  absorción  y  a  la  dispersión  

1. EL RECURSO SOLAR

Componentes  de  la  radiación  solar  

La irradiancia solar es la intensidad o la potencia de la radiación solar incidente en una superficie de 1 metro cuadrado (kW/m2). La irradiación solar, es la suma de las irradiancias incidentes en una superficie de 1 metro cuadrado durante un intervalo de tiempo dado, normalmente se expresa en una hora (kWh/m2).

Las horas solares pico (HSP) es una unidad hipotética que se utiliza para simplificar y caracterizar el recurso solar con el que se cuenta en un lugar determinado. Para esto se supone una irradiancia constante e ideal del sol de 1000 W/m2.

1. EL RECURSO SOLAR

Mapa de irradiación solar mundial. Fuente ABB.

1. EL RECURSO SOLAR

1. EL RECURSO SOLAR Mapa de irradiación solar de Colombia. Fuente IDEAM.

Bases de datos de radiación solar a nivel mundial

�  NASA: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?email=skip@larc.nasa.gov

�  PVGIS (EUROPA): http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?lang=en&map=europe

�  OTRAS BASES DE DATOS: http://photovoltaic-software.com/solar-radiation-database.php

1. EL RECURSO SOLAR

2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores

�  Se  basa  en  la  conversión  de  la  energía  lumínica  proveniente  del  Sol  en  energía  eléctrica.  

�  Células  solares.  Cons1tuidos  por  materiales  semiconductores  en  los  que  se  ha  creado  un  campo  eléctrico  ar1ficial    

�  Silicio:  -­‐  Abundante  en  la  corteza  terrestre  (Sílice)  

-­‐  El  átomo  (SI)  con1ene  14  electrones,  de  los  cuales  4  de  ellos  se  encuentran  en  su  capa  3  (capa  de  valencia).  

-­‐  Enlaces  covalentes  estables  y  fuertes.  

 

�  Material semiconductor por excelencia: silicio.

�  Otros materiales o elementos:

-  Arseniuro de Galio

-  Selenio de Germanio

-  Telururo de Cadmio

-  Diseleniuro de Cobre e Indio

-  Antimonio de Indio

2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores

La  teoría  cuán1ca  describe  las  diferencias  entre  conductores  (metales)  y  semiconductores  usando  diagramas  de  bandas  de  energía.    

2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores

DOPADO  

El  Silicio  (4  electrones  en  la  capa  de  valencia)  dopado  con  Boro  (3  atomos  en  la  capa  de  valencia)  crea  un  material  1po  p  con  exedente  de  cargas  posi1vas.  Cuando  se  dopa  con  Fosforo  (5  electrones  en  la  capa  de  valencia),  se  crea  un  material  1po  n  con  excedente  de  cargas  nega1vas.      

2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores

Células   solares:   Cons1tuidas   por   materiales   semiconductores     en   los   que,  ar1ficialmente,   se   ha   creado   un   campo   eléctrico   constante   (mediante   una  unión  p  -­‐  n).  Son  Diodos  con  una  gran  superficie  expuesta  al  sol.  

2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores

Las   celdas   fotovoltaicas   están   formadas   generalmente   por   una   juntura  semiconductora  P-­‐N,  como  los  diodos.  La  diferencia  es  que  cuando  la  unión  P-­‐N   se   u1liza   como   generador   fotovoltaico,   el   sen1do   del   flujo   de   los  electrones  es  opuesto  (de  N  a  P)  al  flujo  que  se  genera  cuando  el  diodo  se  u1liza  como  un  rec1ficador  o  como  una  válvula  de  una  sola  dirección  (de  P  a  N).    

2. El efecto fotovoltaico. Breve teoría de semiconductores

La  corriente  neta  que  circula  por  el  exterior  vendrá  dada  por  la  suma  algebraica  de  las  dos  componentes  de  corriente  (Corriente  fotogenerada  y  corriente  de  diodo)  

3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION

3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION

La   forma  de  representación  de  una  célula  solar   fotovoltaica  adopta  el  convenio  de  signos   de   considerar   posi1vas   las   corrientes   de   generación.   Con   este   convenio,   el  primer     cuadrante   del   plano   I   –   V   corresponde   al   funcionamiento   de   la   célula  entregando  corriente  a  una  carga  bajo  tensión  posi1va,  de  esta  forma,  el  disposi1vo  opera  como  generador  de  energía.  

3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION

De que depende la cantidad de electrones que se mueven dentro de la celda fotovoltaica ? ….

3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION

CORRIENTE  DE  CORTO  CIRCUITO  Y  TENSION  DE  CIRCUITO  ABIERTO  

3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION

•  La   resistencia   seria   de   la   célula   Rs,   es   una   resistencia   interna   debida   a  factores  como  la  resistencia  del  propio  semiconductor  con  que  se  fabrica  la  célula.  

•  La  resistencia  paralelo  Rp,  aparece  debido  a  imperfecciones  en  la  calidad  de  la  unión  pn,  y  es  responsable  de  la  existencia  de  fugas  de  corriente.  

3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION

•  Efecto de la resistencia serie Rs

•  Efecto de la resistencia paralelo Rp

CURVA  DE  POTENCIA.  PUNTO  DE  MAXIMA  POTENCIA  

Para  cada  punto  de  la  curva  V  –  I  se  1ene  un  valor  de  voltaje  y  corriente  de  trabajo.  

3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION

FACTOR  DE  FORMA  

EFICIENCIA  DE  CONVERSIÓN  

•  Cuan1ficador  de  la  forma  de  la  curva  caracterís1ca  (fill  factor).  •  Nos  da  una   idea  de   la   calidad  del   disposi1vo.  Mientras  mas   alto   sea   el  

factor  de  llenado,  mejor  es  la  calidad  del  disposi1vo.    

•  Es  el  cociente  entre  la  máxima  potencia  eléctrica  que  se  puede  entregar  a  la  carga  y  la  potencia  de  la  radiación  G  incidente  sobre  el  disposi1vo.  

3. CARACTERISTICAS V – I DE ILUMINACION

�  IRRADIANCIA:  1000  W/m2  

�  DISTRIBUCION  ESPECTRAL:  AM  1,5  

�  INCIDENCIA  NORMAL  

�  TEMPERATURA  DE  LA  CELULA:  25⁰C  

 En  estas  condiciones  se  miden  la  potencia  máxima  que  puede  entregar  el  modulo  (Pmax),  la  corriente  de  corto  circuito  (Icc),  y  la  tensión  de  circuito  abierto  (Vac).  

4. CONDICIONES DE MEDIDA ESTANDAR

5. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA. TEMPERATURA NOMINAL DE OPERACIÓN DE LA CELDA.

•  TONC.  Temperatura  de  Operación  Nominal  de  Célula.  Esta  se  mide  bajo  condiciones  de  referencia  de  800  W/m2,  20  grados  de  temperatura  ambiente,  velocidad  de  viento  de  1m/s,  circuito  abierto,  incidencia  normal.  Sus  siglas  en  ingles  son  NOCT.  

•  COEFICIENTE  DE  TEMPERATURA  PARA  CORRIENTE  DE  CORTO  CIRCUITO.  Cambio  de  la  corriente  de  cortocircuito  de  un  disposi1vo  por  unidad  de  cambio  de  temperatura.  α  

•  COEFICIENTE  DE  TEMPERATURA  PARA  LA  TENSION  A  CIRCUITO  ABIERTO.  Variación  de  la  tensión  a  circuito  abierto  por  unidad  de  cambio  de  temperatura.  Β  

•  COEFICIENTE  DE  VARIACION  DE  LA  MAXIMA  POTENCIA  CON  LA  TEMPERATURA.  Cambio  de  la  máxima  potencia  por  unidad  de  cambio  de  temperatura.  γ  

 

5. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA. TEMPERATURA NOMINAL DE OPERACIÓN DE LA CELDA.

6. TIPOS DE CELDAS

6. TIPOS DE CELDAS

6. TIPOS DE CELDAS

•  Un  modulo  fotovoltaico  es  el  conjunto  más  pequeño,  completo  medioambientalmente  protegido,  de  células  interconectadas.  

•  El  1empo  de  vida  aproximado  es  de  25  años.  •  Tiempo  ú1l  determinado  por  la  duración  del  

encapsulado  que  debe  ser  impermeable  al  agua  y  resis1r  la  fa1ga  térmica  y  la  abrasión  

 

7. MODULO FOTOVOLTAICO

Conexión  serie  y  paralelo  de  una  celda  solar  fotovoltaico…  

7. MODULO FOTOVOLTAICO

Disposicion  de  celdas  en  serie  y  en  paralelo  en  modulos  fotovoltaicos  …  

7. MODULO FOTOVOLTAICO

7. MODULO FOTOVOLTAICO

7. MODULO FOTOVOLTAICO

BIBLIOGRAFIA  

1.  Bayod  Rújula.  Ángel  Antonio.  Sistemas  fotovoltaicos.  Universidad  de  Zaragoza.  España.  

2.  Ministerio  de  Minas  y  Energía.  UPME.  Mapa  de  radiación  solar.  

3.  Interna1onal  Energy  Agency.  IEA.  Technology  Roadmap.  Smart  Grids.  

4.  Cuaderno  de  aplicaciones  técnicas.  Plantas  fotovoltaicas.  ABB