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UNAM CELDAS SOLARES Y TECNOLOGÍAS FOTOVOLTAICAS EXPOSITOR Aarón Sánchez Juárez Centro de Investigación en Energía, UNAM Apto. Postal 34 62580 Temixco,

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UNAM PRINCIPIOS DE LA CONVERSIÓN Y TECNOLOGÍAS FOTOVOLTAICAS EXPOSITOR Aarón Sánchez Juárez Centro de Investigación en Energía, UNAM Apto. Postal

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1 UNAM CELDAS SOLARES Y TECNOLOGÍAS FOTOVOLTAICAS EXPOSITOR Aarón Sánchez Juárez Centro de Investigación en Energía, UNAM Apto. Postal Temixco, Morelos Tel: (73) ; Sandia National Laboratories

2 UNAM ¿QUE ES EL EFECTO FOTOVOLTAICO? ES LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD DEBIDO A LA ABSORCION DE LUZ SOLAR. LOS DISPOSITIVOS EN DONDE SE LLEVA A CABO LA TRANSFORMACIÓN DE LUZ EN ELECTRICIDAD SE LLAMAN GENERADORES FOTOVOLTAICOS. A LA UNIDAD MÍNIMA EN DONDE SE REALIZA DICHO EFECTO SE LE LLAMA CELDA SOLAR. El concepto de EFICIENCIA POTENCIA ENTRADA CELDA SOLAR POTENCIA SALIDA = Ps / Pe

3 UNAM LUZ SOLAR Acumulación de electrones Acumulación de huecos CELDA SOLAR electrón y hueco Zona del campo eléctrico 0.6 Voltaje medible ( - )( + ) FUNCIONAMIENTO DE UNA CELDA SOLAR

4 UNAM LUZ SOLAR Voltaje fotogenerado Corriente eléctrica fotogenerada CELDA SOLAR

5 RESEÑA HISTORICA DE LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA. PROGRESO DE LA TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA 1839 Descubrimiento del Efecto Fotovoltaico por E.Becquerel 1870sEstudios del Efecto Fotovoltaico en sólidos por H. Hertz Celdas solares basadas en selenio con el 1% al 2% de eficiencias de conversión. 1954Primera celda solar de silicio cristalino desarrollada en los Laboratorios Bell, USA. 6% de eficiencia de conversión en celdas solares basadas en silicio cristalino [1]. Celdas solares basadas en CdS son reportadas por Reynolds y colaboradores. 1958El programa espacial en USA inicia la primera mayor aplicación de celdas solares. El Vanguard I primer satélite espacial con tecnología fotovoltaica para la generación de electricidad. 1970sLa crisis mundial petrolera y el aumento en los costos de la energía propiciaron el interés de reducir costos en la tecnología fotovoltaica para aplicaciones terrestres. REDUCCIÓN DE PRECIOS EN LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS DE SILICIO ACTUALMENTEaño 2005 usd $ 2,000/Watt usd $ 100/Watt usd $ /Watt usd $ 7- 9/Watt usd $ 1-2/Watt..? EFICIENCIAS DE CONVERSIÓN EN MÓDULOS FOTOVOLTAICOS COMERCIALES 5 AL 15% RÉCORD DE EFICIENCIA DE CONVERSIÓN EN CELDAS SOLARES EXPERIMENTALES 32% AL 35% EN CELDAS SOLARES DE UNIÓN MÚLTIPLE BASADAS EN GaAs UNAM

6 PROCESOS QUE SE LLEVAN A CABO EN UNA CELDA SOLAR ABSORCIÓN DE LUZ : Es el fenómeno mediante el cuál se generan los portadores de carga: electrones y huecos. SEPARACIÓN DE CARGAS : Para separar a los portadores de carga fotogenerados es necesario la formación de un CAMPO ELÉCTRICO INTERNO, que se logra al unir dos materiales con diferente conductividad eléctrica produciendo una unión rectificadora. Por ejemplo: una union P/N. COLECCIÓN DE CARGAS : Los portadores fotogenerados deben de tener un tiempo de vida grande para que puedan ser colectados en los contactos eléctricos exteriores. UNAM

7 CONSIDERACIONES TECNOLOGIAS PARA CELDAS SOLARES Existen varios mataeriales con los que se fabrican las Celdas Soalres. Entre ellos, el que destaca es el SILICIO. El Campo Eléctrico Interno, responsable de la separación de losportadores fotogenerados, es el componente más importante de la celda solar. Este se puede lograr mediante diferentes uniones entre materiales. Destacan: HOMOUNIONES: La más popular Silicio tipo-n con silicio tipo-p HETEROUNIONES: Histórica CdS tipo-n / Cu x S tipo-p BARRERA SCHOTTKY: Unión rectificadora metal/semiconductor UNION M/I/S: Unión rectificadora metal/aislante/semiconductor. UNION S/I/S: Unión rectificadora semicond/aislante/semicond. Celda típica: SILICIO AMORFO UNAM

8 ¿EN DONDE SE LLEVA A CABO DICHO EFECTO? EN UNIONES ENTRE MATERIALES SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES. SEMICONDUCTORES GRUESOS DELGADOS SILICIO MONOCRISTAL, POLICRISTAL SILICIO GaAS CdTe CuInSe 2 AMORFO MONOCRISTAL, POLICRISTAL MÁXIMAS EFICIENCIAS EN SÓLIDOS SEMICONDUCTORES, COMO EL SILICIO, ARSENURO DE GALIO TELURO DE CADMIO, SELENURO DECOBRE/INDIO.

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10 LABORATORIO DE PRUEBAS EN ARIZONA Módulos de concentración Módulos de silicio amorfo

11 UNAM Origen de la Celda Solar de Silicio

12 UNAM A la unidad mínima en donde se lleva a cabo el efecto Fotovoltaico se le llama celda solar. La potencia que generan es pequeña (1.44 watts ). Sinónimos comúnmente usados: CELDA SOLAR CÉLULA SOLAR GENERADOR FOTOVOLTAICO GENERADOR DE ELECTRICIDAD SOLAR Celdas Solares

13 CELDAS SOLARES BASADAS EN SILICIO CRISTALINO MONOCRISTAL POLICRISTAL

14 UNAM EFICIENCIA EN CELDAS SOLARES COMERCIALES DE SILICIO PARA APLICACIÓN TERRESTRE Superficie de 1m x 1 m 1,000 Watts Generación de 150 Watts Módulo con 15 % eficiencia

15 UNAM PROCEDIMIENTO PARA MEDIR Vca e Icc DE UNA CELDA SOLAR

16 UNAM Area 100 cm VOLTÍMETRO Vop = 0.54 volts (-) (+)(+) APERÍMETRO (Impedancia=0) Iop = 2.5 A Carga DIAGRAMA PARA MEDIR Iop y Vop DE UNA CARGA I V v1v1 v2v2 Vca Vm I2I2 I1I1 Im Icc Rectángulo de Area Máxima PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA Pm = Im Vm POTENCIA LUMINOSA ( Pi )

17 UNAM PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE UNA CELDA SOLAR I V CA VOLTAJE A CIRCUITO ABIERTO V CA MÁXIMO VOLTAJE GENERADO POR LA CELDA. CORRIENTE A CORTO CIRCUITO I CC MÁXIMA CORRIENTE GENERADA POR LA CELDA. V VMVM I CC PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA P M ES UN PUNTO SOBRE LA CURVA PARA EL CUAL EL PRODUCTO DE V CON I ES EL MÁXIMO. PMPM = P/A ES LA POTENCIA EFECTIVA DA DA COMO EFICIENCIA DE CONVERSIÓN ES LA RAZÓN ENTRE LA POTENCIA GENERADA POR LA CELDA CUANDO SOBRE ELLA INCIDE UNA POTENCIA LUMINOSA = P M / P I X 100 Donde P I es la irradiancia por el área efectiva de la celda IMIM

18 CARACTERISTICAS Valores típicos a 1kW/m 2 y 25°C DIMENSIONES [mm] 1 Celda 101 x 101 ½ Celda 101 x 50.5 ¼ Celda 50.5 x ¼ Celda ½ Celda 1.536(g)Peso (A)ImCorriente a Pot. máx (V)VmVoltaje a Pot. máx (W)PmPot. máx. (± 10%) (A)IscCorriente de corto cto 0.6 (V)VocVoltaje a cto. abierto

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22 Módulos Fotovoltaicos Celdas fotovoltaicas Rayos Incidentes Conexión de la celda Sección de un Módulo Fotovoltaico Marco soporte A D Cubierta E W C B F G Taladro para fijación en estructura H K H Interconexión de celdas FV. UNAM A Goma butilica B Aluminio anonizado C Toma de tierra D Cristal templado E Contactos eléctricos F Céldas G Polivinilo butiral H Lámina de tedlar K Lámina de acero

23 Sello de goma Vidrio Celda Solar Estructura UNAM Sección de un Módulo Fotovoltaico

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

25 Caja de Conecciones UNAM Información Técnica que deben tener los Módulos w 1000 Wm2 - AM T CELL 25ºC SERIES FUSE 5 A MODEL TYPE MSX64 SERIAL NO. FW MAX. SYS. OPER. VOLT. 600 V MIN. BYPASS DIODE IF 5 A V PMAX 17.2 V I SC 4.02 A V OC 21.4 V P MAX 64.5 W I PMAX 3.75 A AT 800 W/m 2 - AM T CELL ; 49ºC I PMAX= 3.06 A P PMAX= 46.7 W WILL PRODUCE: 630 Solarex Court Frederick, MD,21701, USA Approved for NEC Class 1 Divición 2 Grupo C & D Listed for Electrical And Class C Clase C

26 Los Módulos para cargar acumuladores de 12 Volts nominales, se diseñan con 30, 33 y hasta 36 Celdas FV conectadas en serie. La potencia eléctrica (watts) pico de un Módulo Fotovoltaico es igual al producto del Voltaje (Vm) con la corriente ( Im ) en el punto de máxima potencia. P p = Vm x Im Isc Corriente de Corto circuito Im Corriente de Operación Vm Voltaje de Operación Vca Voltaje a circuito Abierto P max potencia maxima VmVca Icc Im P max Corriente Voltaje Módulos Fotovoltaicos UNAM

27 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 UNAM Pmax= 75 W

28 Modulos Fotovoltaicos VOLTÍMETRO volts (-) (+) APERÍMETRO (Impedancia=0) Iop =3.0 A Carga I Sol Modulo FV. SIMENS PCJ4 Voltaje, Corriente y Potencia Generados

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

30 EL MÓDULO FOTOVOLTAICO Características eléctricas bajo condiciones NTC UNAM

31 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 P max potencia maxima Parámetros de un Módulo Fotovoltaico UNAM

32 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 = % UNAM

33 CURVAS I-V (IRRADIANCIA)CURVAS I-V (TEMPERATURA)

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35 UNAM Valores normalizados Icc, Vca, Pm (%) Temperatura del módulo Relación empírica: Tm= Ta Ta: temperatura ambiente en ºC. Si Ta=34ºC, Tm=62ºC Efecto de la temperatura de operación del módulo sobre las características eléctricas

36 (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

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

38 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

39 EFECTO DE LA TEMPERATURA En el voltaje: reducción de 2.2 mV/ºC/celda En la potencia: reducción del 0.35%/ºC UNAM

40 Módulos Fotovoltaicos Conexiones Serie - Paralelo Conexión Paralelo AUMENTO DE CORRIENTE Tres módulos Conectados en paralelo Diodo de bloqueo Diodo de paso Conexión Serie AUMENTA EL VOLTAJE Tres módulos Conectados en serie 9 amp UNAM 12 V 12 Volts 36 V 24 V 12 V 0 V 36 Volts 12 V Diodo de bloqueo

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43 Inclinación del Arreglo FV. MÁXIMA GENERACION: RAYOS PERPENDICULARES AL ARREGLO. ES NECESARIO SEGUIDOR SOLAR CON 2 MOVIMIENTOS SE PUEDEN TENER: ARREGLOS FIJOS Y MÓVILES EN ARREGLOS FIJOS IMPLICA UTILIZAR UN CRITERIO DE SELECCIÓN PARA ÁNGULO DE INCLINACIÓN QUE GARANTICE MÁXIMA GENERACIÓN. EN EL HEMISFERIO NORTE EL SOL SE DECLINA MAS TIEMPO HACIA EL SUR DURANTE EL AÑO; ASÍ LOS ARREGLOS SE INCLINAN, RESPECTO A LA HORIZONAL, VIENDO HACIA EL SUR. REGLA DE MANO: GENERACIÓN ANUAL MÁXIMA, INCLINCACIÓN IGUAL A LA LATITUD DEL LUGAR. PARA ABREVADEROS: LA INCLINACIÓN DEBE GARANTIZAR LA MÁXIMA GENERACIÓN DE ENERGÍA (MÁX. PROD. DE AGUA) EN EL MES CON MAYOR DEMANDA DE AGUA (EPOCA DE ESTIAJE) SUR

44 Energía Eléctrica generada por Módulos Fotovoltaicos

45 Módulo Fotovoltaico Irradiancia : 1000 W/ m 2; AM1.5 Tm = 25ºC Pp = 55 W Tm = 62ºC Pp = 44W Maxima Generación por día (por año) = Rayos perpendiculares a los Módulos Estimación de la energía generada por un arreglo Fotovoltaico

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

47 UNAM ALGUNAS APLICACIONES DE LOS SISTEMAS FV

48 REEPLAZANDO TECNOLOGÍA

49 Sistemas Fotovoltaicos Diagrama de conexión directa Tableros de distribución o carga de Corriente Directa (CD) Arreglo Fotovoltaico Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sol UNAM

50 Sistemas Fotovoltaicos Diagrama con controlador de carga Arreglo Fotovoltaico Sistema de Control de Energía Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sol Seguidor de máxima potencia Tableros de distribución de carga en Corriente Directa (CD) UNAM

51 Sistemas Fotovoltaicos Diagrama Con Sistema de Almacenamiento Arreglo Fotovoltaico Sistema de Control de Energía Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sistema de Almacenamiento de Energía Tableros de distribución de carga en Corriente Directa (CD) Sol Banco de Baterías Controlador de Carga UNAM

52 Sistemas Fotovoltaicos Diagrama típico de un Sistema Sistema de Almacenamiento de Energía Tableros de distribución de carga Arreglo Fotovoltaico Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sol Banco de Baterías CD/ CA Sistema de Acondicionamiento de Energía Inversor Sistema de Control de Energía Controlador de Carga UNAM

53 Sistemas Fotovoltaicos Diagrama típico, alimentando cargas de CD y CA 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) UNAM


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