Soluciones Sistemas Solares by Consortium PVS IN BLOOM

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PV´s in Bloom (IEE)

Valencia, 21 de febrero de

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INDICE 1.

RADIACIÓN SOLAR 1. 2. 3. 4.

Conversión de radiación solar a energía eléctrica Células solares fotovoltaicas: descripción y funcionamiento Tipos de células solares fotovoltaicas

COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Relaciones geométricas Tierra-Sol Atmósfera terrestre Superficie inclinada

EL EFECTO FOTOVOLTAICO 1. 2. 3.

Módulo fotovoltaico Inversor Sistemas de montaje Cableado y conexiones eléctricas Sistema de monitorización Ejemplo de dimensionado de una instalación fotovoltaica

TIPOS DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS 1. 2.

Sistemas fotovoltaicos aislados de la red eléctrica Sistemas fotovoltaicos de conexión a red.

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Radiación Solar

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1. RADIACIÓN SOLAR S

INTRODUCCIÓN El Sol Principal fuente de energía. La mayoría de las fuentes de energía derivan directa/indirectamente del Sol. Origen de la energía del Sol: Reacciones nucleares que se realizan en su interior. 4 1H1 Æ 2He4 + 2e Radiación solar: Energía radiante en forma de Radiación electromagnética del Sol Æ fotones En 1 segundo el Sol irradia más energía que la consumida por todo el género humano hasta ahora.

1. RADIACIÓN SOLAR S

RELACIONES GEOMÉTRICAS TIERRA-SOL Órbita de la Tierra alrededor del Sol Eclíptica: plano de la órbita. Órbita Tierra‐Sol: es elíptica, la distancia Tierra‐Sol varía ligeramente a lo largo del año. Ángulo entre el eje de rotación de la Tierra y la normal al plano de la Eclíptica: 23,45º Æ Fenómeno responsable diferente duración noche/día a lo largo del año. Equinoccios: misma duración día/noche Solsticio de verano: duración día > 12 h. Solsticio de invierno: duración día < 12 h. La trayectoria más amplia y elevada sobre la bóveda terrestre tiene lugar en verano

1. RADIACIÓN SOLAR S

RELACIONES GEOMÉTRICAS TIERRA-SOL Coordenadas solares: definen con precisión la posición del Sol respecto a un observador en un plano horizontal. Coordenadas horizontales: plano de referencia es el horizonte del observador. ‐Altura solar γ: ángulo que forman los rayos solares sobre una superficie horizontal. γ:0 a 90 grados ‐Azimut solar ψ: ángulo de giro del Sol medido sobre un plano horizontal (<0 hacia el este, 0 sur, >0 hacia el oeste)

1. RADIACIÓN SOLAR S

RELACIONES GEOMÉTRICAS TIERRA-SOL Diagrama de trayectorias del Sol: muestra la banda de trayectorias del Sol a lo largo del año.

1. RADIACIÓN SOLAR S

ATMÓSFERA TERRESTRE Irradiancia: energía radiante que alcanza una superficie por unidad de aérea y por unidad de tiempo (unidades : W/m2). Irradiación o Radiación: energía radiante que alcanza una superficie por unidad de área, en un intervalo de tiempo dado; horaria, diaria, etc. (unidades: kJ/m2, MJ/m2).

La irradiancia extraterrestre se atenúa al atravesar la atmósferaÆ la atmósfera supone un obstáculo al libre paso de la radiación.

1. RADIACIÓN SOLAR S

ATMÓSFERA TERRESTRE Fenómenos: Dispersión: la energía incidente es repartida en diferentes direcciones . Reflexión/Refracción/Difracción Absorción: la energía dispersada y transmitida es menor que la incidente. Constante solar: energía que nos llega del Sol en forma de radiación solar, por unidad de área y tiempo. Su valor es variable debido a que la distancia Tierra‐Sol no es constante. Valor medio: 1.367 W/m2. Irradiancia días despejados es de 1.000 W/m2

1. RADIACIÓN SOLAR S

ATMÓSFERA TERRESTRE

Radiación directa: alcanza la superficie manteniendo una línea recta desde el disco solar. Alcanza su valor máximo cuando la superficie es perpendicular a la radiación. Radiación difusa: alcanza la superficie tras haber cambiado de dirección al atravesar la atmósfera. Responsable de que se reciba radiación en días nublados. Radiación solar anual Æ 2/3(Radiación directa) + 1/3(Radiación difusa)

1. RADIACIÓN SOLAR S

SUPERFICIE INCLINADA Inclinación y orientación óptima Inclinación óptima: latitud del lugar ‐10 grados (En España ≈ 30 grados) Orientación: preferiblemente sur.

Determinación de inclinación óptima: 1. Azimut 2. % pérdidas admisible 3. Inclinación • mínima • máxima 4. Corrección para la latitud del lugar.

1. RADIACIÓN SOLAR S

SUPERFICIE INCLINADA Inclinación y orientación óptima Inclinación: (latitud del lugar ‐10 grados) Orientación: preferiblemente sur.

Determinación de inclinación óptima: 1. Azimut : sur=0º 2. % pérdidas admisible: 95‐100 % 3. Inclinación • Mínima: 5 grados • Máxima: 50 grados 4. Latitud del lugar: 40º 5. Corrección para la latitud del lugar

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El efecto fotovoltaico

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2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

CONVERSIÓN DE RADIACIÓN SOLAR EN ENERGÍA ELÉCTRICA Efecto fotovoltaico: conversión de energía solar en energía eléctrica. Semiconductores: materiales capaces de presentar conductividad eléctrica bajo ciertas circunstancias. El semiconductor más utilizado en células solares es el Silicio. Mediante el “dopaje” del Silicio (adición de impurezas) se consiguen semiconductores: •Tipo N (negativo): dopaje con Boro Æ exceso de e‐. •Tipo P (positivo): dopaje con Fósforo Æ exceso de huecos La unión entre semiconductor tipo N y tipo P permite la difusión de electrones de uno a otro estableciendo campo eléctrico que restablece el equilibrio.

2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

CONVERSIÓN DE RADIACIÓN SOLAR EN ENERGÍA ELÉCTRICA 1º Etapa. Fotogeneración La célula solar absorbe los fotones de luz incidentes y los convierte en su interior en pares electrón‐hueco. En la interfase entre las dos capas se crea un campo eléctrico. 2ª Etapa. Separación de cargas Los pares electrón‐hueco son separados; los electrones se mueven hacia un electrodo (+) y los huecos hacia otro (‐), creándose una diferencia de potencial. 3ª Etapa: Generación de una corriente eléctrica La unión de ambos electrodos mediante un conductor permite la generación de una corriente eléctrica (DC).

2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS

La potencia eléctrica de una célula solar, depende directamente de la radiación incidente. Potencia pico : máxima potencia de una célula solar se determina con una intensidad de irradiación de 1.000 W/m2 y una temperatura de 25 ºC. La potencia es directamente proporcional al tamaño de la célula.

2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS Parámetros de una célula solar Intensidad de corriente: Es función de la radiación incidente y del tamaño de la célula. Tensión: Es específica del material y para el Silicio es de aproximadamente 0,5V‐0,6V. El voltaje apenas varía con la radiación. Temperatura: El calentamiento de una célula solar provoca una disminución de su grado de eficiencia.

2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS Parámetros de una célula solar Isc: corriente de cortocircuito Uoc: tensión de circuito abierto. MPP: punto de máxima potencia. (parámetros calculados bajo condiciones estándar: irradiación de 1.000 W/m2 y temperatura de 25 ºC.)

2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS Parámetros de una célula solar Influencia de la temperatura: •El calentamiento de una célula solar provoca una disminución de su eficiencia. •Los módulos fotovoltaicos trabajan en verano a temperaturas entre 40‐70 ºC. Importante: refrigeración por el viento y emplazamiento.

2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

TIPOS DE CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS Tipos de células solares

Células de Silicio cristalino: (tecnologías más utilizadas 80% de la producción) •Silicio Monocristalino: •Silicio Policristalino:

Células de capa fina: •Silicio amorfo •CIS (diseleniuro de cobre) •CdTe (teluro de cadmio) •GaAs (arseniuro de galio)

2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS Células de Silicio monocristalino: • Fabricación Æ Método Czochralski: • 1ª fase: Formación del lingote. • fundición de Si puro en un crisol con boro. • introducción de un “cristal germen” Æ disposición de los átomos del líquido adoptando estructura cristalina Æ lingote cilíndrico. • 2ª fase: Corte y tratamiento de las obleas. • enfriamiento Æ corte en finas obleas (3 décimas de mm). • creación unión p‐n: adición de P en una de sus caras. • tratamiento anti‐reflectante (recubrimiento o texturizado) • 3ª fase: Serigrafiado. Provisión de contactos eléctricos. • adición de “rejilla metálica”. • control de calidad: clasificación células de potencia similar.

•Eficiencia: 13‐17% (tipo de célula con eficiencia más alta). •Tamaño: 6’’.

2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS Células de Silicio policristalino: • Fabricación • 1ª fase: Formación del lingote. • fundición de Si puro en un crisol con boro. • solidificación lenta en un molde rectangular. • 2ª fase: Corte y tratamiento de las obleas. • enfriamiento Æ corte en células policristalinas cuadradas. • creación unión p‐n: adición de P en una de sus caras. • tratamiento anti‐reflectante (recubrimiento o texturizado) • 3ª fase: Serigrafiado. Provisión de contactos eléctricos. • adición de “rejilla metálica”. • control de calidad: clasificación células de potencia similar.

•Eficiencia: 11‐15% (tipo de célula con eficiencia más alta). •Tamaño: 8’’.

2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

TIPOS DE CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS Células de capa fina: • Fabricación: • fina capa de 1‐2 μm de material semiconductor depositado sobre sustrato rígido o flexible. • tratamiento anti‐reflectante (recubrimiento). • sin conexiones interiores Æ fina capa de óxido transparente. • Características generales: • menor grado de eficiencia • mayor demanda superficial • mayor eficiencia altas temperaturas • mayor coeficiente de absorción óptica • menor cantidad de material • importante reducción de costes

2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

TIPOS DE CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS •Silicio amorfo • Fabricación: deposición de Si diferentes capas de óxido y contacto metálico. • Rígido/Flexible (permite enrollado). • Eficiencia: 6‐8 %. •Otras tecnologías • CIS (diseleniuro de cobre) • Inconveniente: escasez del Indio • Marca comercial: Wurth. • CdTe (telururo de cadmio) • Fabricación por deposición • Inconveniente: Cd es venenoso • Marca comercial: First Solar. • GaAs (arseniuro de galio) : aplicaciones especiales. • Células solares orgánicas: en fase de investigación.

2. EFECTO FOTOVOLTAICO S

TIPOS DE CÉLULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS

Eficiencia (%) Estructura

Si monocristalino Si policristalino

cristalina uniforme cristalina uniforme

Nivel de desarrollo

Célula (laboratorio)

Módulo

13‐17

Producción industrial

11‐15

Producción industrial

Si amorfo

capa fina

11‐12

5‐8

Producción industrial

Diseleniuro de cobre (CIS)

capa fina

10‐12

Producción industrial

Teluro de Cadmio (CdTe)

capa fina

9‐10

Poco desarrollo

Arseniuro de galio (GaAs)

cristalina

‐

Aplicaciones especiales

Células solares orgánicas

principio electroquímico

5‐8

‐

Fase investigación

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Componentes de una instalación fotovoltaica

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