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AARÓN SÁNCHEZ JUÁREZ Módulos y Arreglos Fotovoltaicos.

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1 AARÓN SÁNCHEZ JUÁREZ Módulos y Arreglos Fotovoltaicos

2 Módulos fotovoltaicos V CA = 0.6 V J CC = 44 mA/cm 2 V M =0.49 V J M =30.5 mA/cm 2 P M = 15 mW/cm 2 Conexión Serie: La terminal negativa de una celda se conecta a la terminal positiva de la siguiente. Resultado: Incremento de voltaje Conexión Paralelo: La terminal negativa de una celda se conecta a la terminal negativa de la siguiente, la terminal positiva se conecta a la positiva de la siguiente celda. Resultado: Se Incrementa la corriente de salida.

3 Módulos fotovoltaicos Conexión de las celdas IDÉNTICAS FV para formar un módulo V1 V2 V3V4 VTVT I1 I2I3 I4 V1 V2 V3 V4 I1 I2I3I4 V T = V1+V2+V3+V4 I = I1 = I2 = I3 = I4 V T = V1 = V2 = V3 =V4 I = I1 + I2 + I3 + I4 Conexión en serie Conexión en paralelo

4 Módulos fotovoltaicos Celdas fotovoltaicas Rayos Incidentes Conexión de la celda _ + Módulo fotovoltaico para instalarse!!!!

5 Módulo Fotovoltaico P 40 W Ensamble del marco Laminado Conexión entre celdas Celda Solar P 1.5 W Construcción de un módulo Fotovoltaico

6 Módulos fotovoltaicos Los módulos FV comerciales incluyen Valores de placa y diagrama de conexiones

7 Acoplamiento directo VOLTÍMETRO volts (-) (+) APERÍMETRO (Impedancia=0) Iop =3.0 A Carga I Sol Modulo FV. SIMENS PCJ4 Voltaje, Corriente de operación y Potencia Generada

8 Curva de rendimiento (I VS V) Define todos los puntos de operación Voltaje Corriente Potencia (V*) (I*) (P*) [Volts] [Amp.] [Watts] (*) Condiciones estándares de prueba MÓDULO DE 55 W-p; AM W/m 2 ; 25ºC. Punto de máximo rendimiento

9 Curva I-V y P-V del Módulo Fotovoltaico Características eléctricas bajo condiciones NTC

10 VmVca Icc Im P max Corriente Voltaje Icc Corriente de Corto circuito (P = 0 watts): Es la corriente máxima que puede generar el Módulo bajo una intencidad luminosa de 1000 W / m 2 Vm Voltaje de Operación Im Corriente de Operación Voltaje y corriente para los cuales el Módulo genera la maxima potencia Vca Voltaje a circuito Abierto (P = 0 watts): Voltaje maximo que puede generar el Módulo Pmax potencia maxima Parámetros eléctricos de un Módulo Fotovoltaico

11 P m = P i x A a Eficiencia del Módulo Donde = Eficiencia del Módulo P i = potencia incidente 1000 W/m 2 A a = Superficie del Modulo, Largo x Ancho m 2 P m = Potencia maxima Ejemplos : Módulo SIEMENS M55 Pi = 1000 W/m 2 Pm = 53 W, Im = 3.05 A, Vm = 17.4 V, Area = 0.43m 2 = % Módulo KIOCERA K55 Pi = 1000 W/m 2 Pm = 51 W, Im = 3.02 A, Vm = 16.9 V, Area = 0.44m 2 = %

12 Generación de 150 Watts Superficie de 1m x 1 m Eficiencia en celdas y módulos comerciales de silicio Eficiencia del 15 %

13 Para el almacenamiento de Energía Eléctrica en Sistemas Electroquímicos, los Módulos FV se construyen con el número de celdas necesarias para cargar acumuladores. Necesidad de Almacenar Energía MÉTODOS Hidráulicos Electroquímicos: Baterías Para el caso de acumuladores de 12 V nominales, los módulos se diseñan con 30, 33 y hasta 36 Celdas FV conectadas en serie.

14 Carga Batería Módulos de c-Si: Treinta y seis celdas conectadas en serie con dos diodos de paso para prevenir efectos de puntos calientes Tecnología Diseñada para Cargar Baterías de 12 V nominales

15 Módulo Fotovoltaico Modulo de Silicio Monocristalino Modelo SP75 (PC-J4) Marca: SIEMENS Características Eléctricas STC 1000 W/m 2 ; 25ºC Vca = 21.7 V Vm = 17 V Icc = 4.8A Im = 4.4 A Características Físicas Nº de Celdas = 36 Largo cm Ancho 52.8 cm Espesor 3.4 cm peso 5.8 Kg Pmax= 75 W

16 Módulos fotovoltaicos Efecto de la intensidad luminosa El voltaje permanece casi invariante a diferentes intensidades luminosas, la corriente varía proporcionalmente a la irradiancia.

17 Módulos fotovoltaicos Efecto de la temperatura La corriente aumenta ligeramente mientras que el voltaje esta disminuyendo en una razón muy grande. La temperatura de la celda en función de la irradiancia: Tcell = Tamb + C 1 H, C 1 = ºC m 2 /W. En el voltaje: reducción de 2.2 mV/ºC/celda En la potencia: reducción del 0.35%/ºC

18 (V)VmVoltaje a máxima Potencia (V)VocVoltaje a circuito abierto (A)IscCorriente de corto circuito (A)ImCorriente a máxima Potencia (W)PmPotencia máxima (± 10%) 12 (V)Voltaje nominal de la batería (°C)TjTemperatura de la unión Valores típicos de funcionamiento a 1kW/m 2 Efecto de la Temperatura

19 Efecto del sombreado Celdas idénticas iluminadas con diferente intensidad luminosa producen corrientes de diferente magnitud. Cuando una celda solar se sombrea, ésta deja de generar electricidad. Las características eléctricas de una celda sombreada son diferentes a las de una celda iluminada. Una celda solar sombreada en un módulo FV hacen que éste disminuya la potencia eléctrica generada. Una celda solar sombreada en un panel FV hacen que ésta se comporte como una resistencia y en ella se disipará potencia eléctrica en forma de calor.

20 Efecto del sombreado en una celda Energía que aparece en forma de calor creando los puntos calientes en un módulo. Un módulo de 55 Wp de 36 celdas en serie puede disipar en una celda sombreda una potencia de 53 W, suficiente para incrementar la temperatura de la celda hasta 90°C.

21 Diodos de Paso: Posición de diodos de paso para evitar la formación de puntos calientes Protección contra los puntos calientes

22 I amp V Celda Fv sin Sombrear Celda Fv 25 % Sombreada Celda Fv 50 % Sombreada Celda Fv 75 % Sombreada Celda Fv 100 % Sombreada Efecto del sombreado sobre Módulos FV Módulo con una celda Sombreada

23 I amp V Celdas Fv sin Sombrear Celdas Fv 25 % Sombreadas Celdas Fv 50 % Sombreadas Celdas Fv 75 % Sombreadas Celdas Fv 100 % Sombreadas Efecto de sombreado sobre Módulos FV Módulo con tres celdas Sombreadas

24 Efecto global Atenuación en la irradiancia Temperatura de operación 20% de reducción en potencia

25 Arreglos fotovoltaicos Incrementando potencia: Los módulos se pueden conectar en serie ó en paralelo para incrementar la potencia de trabajo, y formar una nueva estructura llamada el arreglo fotovoltaico. Incrementando Voltaje Incrementando Corriente 9 amp 12 V 12 Volts 12 V Diodo de bloqueo Diodo de paso 36 V 24 V 12 V 0 V 36 Volts

26 Arreglos fotovoltaicos

27 Celda Solar P 1.5 W Módulo FV. Panel FV Arreglo Fotovoltaico Términos empleados en Sistemas Fotovoltaicos

28 Orientación óptima de un AFV Seguidor solar un eje, Ganancia 30 % Seguidor solar, dos ejes Ganancia 50 %

29 Orientación óptima de un AFV Para AFV montados en estructuras fijas, se debe tener en cuenta: el sur geográfico y la latitud del lugar. Si es la inclinación del AFV, y L la latitud del lugar, la máxima potencia se obtendrá cuando : = L Otras condiciones para maximizar la energía captada: = L – es la declinación promedio en una época de año = L + 15 en invierno = L – 15 en verano

30 FABRICANTES Producto comercial en México Shell/Solarex BP Solar/Siemens/Arco Solar Kyocera Sharp Isofoton Atersa ASE Astro Power First SolarPhotowatt Unisolar (USCC)

31 ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA Diseño en homouniónEstatus TIPO DE TECNOLOGÍA *Silicio monocristalino (gruesa) *Silicio policristalino (gruesa) *Silicio amorfo (película delgada) Películas delgadas monocristalinas *Arsenuro de Galio (GaAs) Disponible comercialmente Bajo desarrollo Diseño en HeterouniónEstatus TIPO DE TECNOLOGÍA Películas delgadas policristalinas: *Cobre-Indio-Diselenio *Telenuro de Cadmio Próximamente Disponibles comercialmente Diseño de unión múltipleEstatus TIPO DE TECNOLOGÍA a-SiC/a-Si a-Si/a-Si a-Si/a-SiGe a-Si/poli-Si a-Si/CuInSe 2 GaAs/GaSb Bajo Desarrollo CONFIGURACIÓN DE MÓDULOS Módulos Planos Módulos con concentrador Disponible comercialmente

32 ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA Diseño en homouniónEstatus TIPO DE TECNOLOGÍA *Silicio monocristalino (gruesa) *Silicio policristalino (gruesa) *Silicio amorfo (película delgada) Películas delgadas monocristalinas *Arsenuro de Galio (GaAs) Disponible comercialmente Bajo desarrollo Diseño en HeterouniónEstatus TIPO DE TECNOLOGÍA Películas delgadas policristalinas: *Cobre-Indio-Diselenio *Telenuro de Cadmio Próximamente Disponibles comercialmente Diseño de unión múltipleEstatus TIPO DE TECNOLOGÍA a-SiC/a-Si a-Si/a-Si a-Si/a-SiGe a-Si/poli-Si a-Si/CuInSe 2 GaAs/GaSb Bajo Desarrollo CONFIGURACIÓN DE MÓDULOS Módulos Planos Módulos con concentrador Disponible comercialmente

33 CdTem-Sia-Sip-Si Módulos en película delgada y Tecnología de silicio cristalino Tecnologías fotovoltaicas Comerciales V OC =21.7 V V OC = 21 V V OC = 23.8 V V OC = 95 V

34 SIEMENS SP75 Modulo Fotovoltaico Silicio Monocristalino Que es lo que se compra?

35 Módulos Fotovoltaicos de Silicio Monocristalino SIEMENS SR-100

36 224WATT MULTI-PURPSE MODULE NEC 2008 compllant ND 224UC1

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45 SIEMENS ST20 DE PELICULA DELGADA (CIS) CARGADOR DE BATERÍAS

46 COBRE-INDIO-SELENIO 2 Potencia Pico (Pp)(Watts)40 Voltaje Máximo Pico Vp(Volts)16.6 Corriente Máxima Pico Ip(Amp)2.41 Voltaje a Circuito Abierto Voc(Volts)22.2 Corriente a CortoCircuito Ip(Amp)2.59 Voltaje a Circuito Abierto-0.1V/°C Corriente de Corto Circuito+0.26mA/°C Parámetros Térmicos Parámetros Eléctricos

47 Manufacturing Capacity FS Series 2 PV Modules Electrical Specifications Details FS-270FS-272FS-275FS-277 Nominal Power: 70W72.5W75W77.5W Voltage: 65.5V66.6V68.2V69.9V Current: 1.07A1.09A1.10A1.11A

48 Módulo de CdTe Que es lo que se compra?

49 MODULO DE SILICIO AMORFO Que es lo que se compra?

50 Módulos flexibles Uni-Solar de silicio amorfo Módulos flexibles Uni-Solar de silicio amorfo Aplicación: Cargadores de baterías de 12 Volts

51 PRECIOS DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS (2008) FabricanteModeloPotencia [Watts] Precio (2002) (Dls) Preci o por Watt (Dls ) Area del Módulo (m 2 ) Precio W/m 2 (Dls ) Solarex (p)SA-22.2$47.00$ Unisolar (a)US-55.25$53.00$ $504.7 Siemens (cis) ST-1010$104.00$ $812.5 Siemens (m)SM-2020$219.00$ $ Unisolar (a)US-3232$185.00$ $351 Kyocera (p)KC-3535$200.00$ $651.4 Solarex (p)SX-50M50$305.00$ $593.3 Kyocera (P)LA-5151$268.00$ $611.8 Siemens (m)SM 5555$319.00$ $705.5 Unisolar (a)US-6464$298.00$ $295 BP solar (m)BP7575$375.00$ $580.4 Solarex (p)MSX8383$479.00$ $654.3 Siemens (m)SR100100$485.00$ $544.9 Solarex (p)MSX120120$619.00$ $563.7 Kyocera (p)KC120120$585.00$ $629.7 m monocristal de silicio; p policristal de silicio; a silicio amorfo; cis cobre indio selenio

52 Si no hay luz solar, No hay Generación. Características de la Generación FV El tipo de electricidad es Corriente Directa No hay costos asociados a combustibles El proceso es limpio sin ruido Necesidad de almacenamiento de energía

53 AARÓN SÁNCHEZ JUÁREZ SISTEMAS FOTOVOLTAICOS: APLICACIONES CLASIFICACIÓN Y COMPONENTES

54 ENERGÍA SOLAR Recurso solar: 5,000 W-h/m 2 ELECTRICIDAD ¿CON QUÉ? Tecnología FV: Segura, de larga vida, Confiable, TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA

55 Potencial de Generación Recurso solar diario: 5.0 kW-hr/ m 2 Eficiencia de Módulos FVs: 10% Cuadrado de 10 m de lado Generación de Energía: 50.0 kW-hr al día

56 Condiciones Standard Módulo Fotovoltaico Irradiancia : 1000 W/ m 2; AM1.5; Tm = 25ºC Pp = 55 W Estimación de la energía generada Condiciones NOCT Módulo Fotovoltaico Irradiancia : 800 W/ m 2; AM1.5; Tm = 50ºC Pp = 44 W

57 ALGUNAS APLICACIONES DE LOS SISTEMAS FV

58 REEMPLAZANDO TECNOLOGÍA

59 POSIBLES ACOPLAMIENTOS Carga DIRECTO

60 Operación directa VOLTÍMETRO volts (-) (+) APERÍMETRO (Impedancia=0) Iop =3.0 A Carga I Sol Modulo FV. SIMENS PCJ4 Voltaje, Corriente y Potencia de acoplamiento

61 Acoplamiento Sin SMP Acoplamiento con SMP Posibles Acoplamientos : Con SMP Carga SMP

62 Posibles Acoplamientos Baterías Carga Batería Control

63 Sistemas FV Autónomos Tableros de distribución o carga de Corriente Directa (CD) Arreglo Fotovoltaico Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sol Conexión Directa

64 Sistemas FV Autónomos Arreglo Fotovoltaico Sistema de Control de Energía Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sol Seguidor de máxima potencia Carga en Corriente Directa (CD) Conexión con controlador de carga

65 Sistemas FV Autónomos Arreglo Fotovoltaico Sistema de Control de Energía Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sistema de Almacenamiento de Energía Carga en Corriente Directa (CD) Sol Banco de Baterías Controlador de Carga Conexión con almacenamiento

66 Sistemas FV Autónomos Almacenamiento de Energía Carga en CA Arreglo Fotovoltaico Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sol Banco de Baterías CD/ CA Acondicionamiento de Energía Inversor Sistema de Control de Energía Controlador de Carga Conexión típica

67 Sistemas FV Autónomos Arreglo Fotovoltaico DC =AC Sistema de Control de Energía Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sistema de Almacenamiento de Energía Sistema de Acondicionamiento De Energía Sol Banco de Baterías Inversor Controlador de Carga Tableros de distribución de carga en Corriente Alterna (CA) Tableros de distribución de carga en Corriente Directa (CD) Conexión con cargas CD y CA

68 Configuración típica Sistema FV autónomo Tecnología FV Estructura: herrajes, tornillos, cimentación Acondicionamiento de Energía: Controlador, inversor, SMP Líneas de transmisión (cables), seguridad y protección Cargas eléctricas

69 Funcionamiento de un sistema Fv conectado a la red

70 ELECTRICIDAD ¿Para que? Programas de servicio público Fomento de proyectos productivos Incremento en el ingreso familiar INCREMENTO DEL DESARROLLO SOCIAL POR MEDIO DE: Iluminación básica, agua potable, servicios de salud, comunicación, educación a distancia. Instauración de polos de desarrollo económico Mejora sustancial del nivel de vida del productor AGRONEGOCIOS APLICACIONES

71 Aplicaciones en el ámbito rural SERVICIOS COMUNITARIOS COMUNICACIÓN ILUMINACIÓN BÁSICA EDUCACIÓN A DISTANCIA SERVICIOS DE SALUD BOMBEO DE AGUA AGRONEGOCIOS

72 Agronegocios Energía para invernaderos Pasteurización de tierras Picadoras de productos agrícolas Lavado Empaquetamiento Refrigeración

73 La energía solar es una opción para el bombeo de agua El sistema de bombeo accionado por el Sol tiene como características: No usa combustible. Usa la energía del Sol. Puede operar automáticamente. Requiere poco mantenimiento. En muchos casos (no en todos) es una opción económica. Es confiable. Se diseña adecuadamente a las necesidades del productor Sistemas de bombeo fotovoltaico

74 Bombeo de agua

75 Los costos de generación de electricidad están entre los $ 0.50 hasta $ 2.50 US dollar por kW-hr Energía fotovoltaica

76 Ejemplos a replicar SERVICOS COMUNITARIOS EDUCACIÓN AGUA PARA ABREVADEROS SERVICOS DOMÉSTICO

77 Usos específicos Proyectos de beneficio social en zonas marginadas Generación propia de energía y Aportación de electricidad a la red Costo por Watt: $ 8.00 – US dollar Sistema instalado Tasa de retorno: 9 años para 1 kW-p al costo de la tarifa actual Sistemas distribuídos

78 Usos específicos Proyectos productivos agropecuarios Costo por Watt: $ 9.00 – US dollar Sistema instalado

79 Aplicaciones productivas Refrigeraci ó n

80 Producción de forraje

81 APLICACIONES FUERA DE LA RED CON LA RED ? Vialidad económica Carga CD Batería Carga Acond. Inversor CD/CA Carga CA Inversor CD/CA Red CA

82 Fomento en México Mexicali, BC Veracruz, Ver Generación propia de energía y Aportación de electricidad a la red Política actual Contrato de interconexión a la red bajo el esquema de medición neta Deducciones fiscales Del orden de 21 MW instalados

83 Notas finales tecnología FV Los nichos de aplicación en el ámbito rural son amplios, Es de larga duración (más de 20 años), Aunque la inversión inicial es alta, los tiempos de amortización en proyectos productivos son cortos, No genera desechos contaminantes ni contribuye al deterioro ambiental, Son una alternativa tecnológica y económica para la generación de electricidad,..y.. Puede justificarse económicamente para agronegocios en zonas urbanas

84 EL costo inicial es sólo uno de los aspectos que se tiene que considerar. Los costos totales se deben estimar durante todo la vida útil para tener una mejor perspectiva. Ofrecen ahorros y costos competitivos a los consumidores. Son altamente competitivos para localidades no electrificadas. En el ámbito urbano, la tecnología ofrece una manera de generar su propia electricidad con inversiones aceptables en la modalidad de interconexión a la red Notas finales tecnología FV

85 Perspectivas para el futuro Costo de los sistemas F V disminuye Costo de combustibles aumenta La perspectiva del uso de la tecnología FV tiende a ser competitivo económicamente en el ámbito urbano

86 Conclusiones: La energía FV es una alternativa ecológica para la generación de electricidad debido a que no provoca desechos contaminantes ni contribuye al deterioro ambiental Aunque presenta costos de inversión altos, los tiempos de vida de un AFV son largos, mayores a 20 años. Existen diversidad de materiales para la fabricación de celdas solares, aunque en la actualidad la tecnología basada en silicio es la mas madura. Las potencia generada por una celda solar es pequeña, pero se pueden hacer módulos fotovoltaicos y arreglos fotovoltaicos para incrementar la potencia requerida, conectando las celdas en serie o paralelo.

87 Gracias


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