´ UNIVERSIDAD DE TARAPACA Escuela Universitaria de Ingenier´ıa El´ectrica Electr´onica
COLOQUIO PROYECTO DE T´ITULO: ´ NO ˜ E IMPLEMENTACION ´ DE ALGUNAS DISE ETAPAS DEL PROYECTO CENTRAL DE ENERG´IA ´ FOTOVOLTAICA DE 40 MW AZAPA, ARICA.
Alumno : Ra´ ul Antonio Balboa Ahumada Profesor Gu´ıa : Ram´on Guirriman C. Profesor Informante : Ra´ ul Sanhueza
Arica-Chile 2014
Contenido
1. Introducci´ on
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2. Memoria
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2.1. Objetivo y Requerimientos iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.2. Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.2.1. Dispositivos fotovolt´aicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.2.2. Inversores DC/AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.2.3. Instalaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.3. C´alculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.3.1. Estudio energ´etico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.3.2. C´alculos el´ectricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Lista de Figuras
1-1. Capacidad en MW, posible escenario al 2030 SING . . . . . . . . .
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1-2. Universo de centrales candidatas al 2030 . . . . . . . . . . . . . . .
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1-3. Marco regulatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2-1. Efecto fotovolt´aico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2-2. C´elulas de Silicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2-3. Curva caracter´ıstica cel´ ula solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2-4. Eficiencia v/s A˜ no . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2-5. Modelo el´ectrico c´elula solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2-6. Estructura panel fotovolt´aico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2-7. Efecto de la temperatura
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2-8. Efecto de la irradiancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2-9. Esquema de un inversor monof´asico
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2-10.Onda cuadrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2-11.Onda SPWM monof´asica bipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2-12.Panel FV Modelo CRM230S-156P60 . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2-13.Ejemplo soporte fijo
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Cap´ıtulo 1 Introducci´ on El sistema SING (Sistema Interconectado Norte Grande) el a˜ no 2012 tiene una capacidad instalada de 3.686 MW , el 1 % de lo producido es a trav´es de ERNC ( Energ´ıas Renovables No Convencionales) y de ese porcentaje el 80 % es Biomasa y lo restante Plantas Fotovolt´aica. La Proyecci´on de demanda energ´etica en Chile al 2030, se proyecta un aumento en el consumo el´ectrico en torno a los 100 mil GWh. Por esto la matriz energ´etica se provee una diversificaci´on a distintas fuentes, como las ERNC y el aporte de las Plantas fotovolta´ıco. El escenario al 2030 estima que las centrales fotovolt´aicas aportaran casi con un 10 % de los 17240 MW, proyectados. Los inver-
Figura 1-1: Capacidad en MW, posible escenario al 2030 SING sionistas y la expansi´on en el mercado minero, principal generador de fuente laboral e ingresos econ´omicos para nuestro pa´ıs est´a en crisis, el origen del problema son los altos costos de energ´ıa que ponen en incertidumbre algunos proyectos de explotaci´on . Es por esto que el actual escenario energ´etico en el pa´ıs preocupa. El desafi´o
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es incorporar 500 MW a la capacidad instalada a nuestro sistema terminando esta d´ecada. El norte de Chile, espec´ıficamente entre las regiones de Arica y Parinacota hasta
Figura 1-2: Universo de centrales candidatas al 2030 la regi´on de Atacama no es ning´ un misterio que es una zona geogr´aficamente privilegiada,con un excelente potencial, tan s´olo del cono sur de nuestro continente, sino del planeta para el montaje de los sistemas fotovolt´aicos: Grandes planicies que tiene una altura de aproximadamente 1.000 mts. Sobre el nivel del mar. Gran Radiaci´on Solar 7 a 7,5 KWH/m2. Beneficios Tributarios a la Inversi´on. Densidad Poblacional 12,6 h/km2 Las pol´ıticas gubernamentales est´an apuntando en esa direcci´on, apoyando a microredes particulares y minicentrales, osea existe ya un marco regulatorio y sigue en expansi´on como la Ley 20.571, promulgada el 22 de Octubre de 2014 . La principal importancia del presente trabajo es poder dar a conocer a grandes rasgos las etapas para implementar proyectos de este tipo y la tecnolog´ıa involucrada. El origen de la informaci´on es del proyecto original en base a las presentaciones solicitadas por empresas del rubro construcci´on. Los productos mencionados no necesariamente ser´an los que se utilicen, pero sus caracter´ısticas se asemejan. Tambi´en se analizan algunos antecedentes te´oricos y pr´acticos.
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Figura 1-3: Marco regulatorio Las limitantes son la cantidad de variables en el proceso de proyecto es por esto s´olo se incluyen en forma resumida algunas etapas y est´an explicadas en forma general. La ambici´on es presentar este trabajo para una interpretaci´on did´actica y simple. La vida u ´til se estima de 25 a˜ nos, al t´ermino de este periodo se evaluar´a mantenerla en operaci´on, pudiendo ampliarse su explotaci´on siempre que sea rentable. http://cifes.gob.cl www.invertirenarica.cl/pdf/EnergiaSolarenlaRegionXV.pdf http://escenariosenergeticos.cl/wp-content/uploads/EscenariosE nergeticos2 013.pdf
Cap´ıtulo 2 Memoria En este capitulo se analizan todos los aspectos t´ecnicos que est´an involucrados en el dise˜ no del sistema, adem´as de los c´alculos que justifican su uso en el proyecto final y como se obtuvieron estos.
2.1.
Objetivo y Requerimientos iniciales
El objetivo de este proyecto es dise˜ nar e implementar algunas etapas de una central solar fotovolt´aica, cuya potencia nominal ser´a de 40MW , cifra que se estima como requerimiento alimentar unos 47 mil hogares. Estar´a conectada a la red electric´a a trav´es de una linea que va paralela a la ruta A-19 hasta su punto de conexi´on que sera la l´ınea Chapiqui˜ na - Arica de 66 kV de propiedad de E-CL S.A., La totalidad de la explotaci´on de energ´ıa el´ectrica se inyectar´a al SING 1 y se ubicar´a en un terreno en la meseta presente entre los Valles de Azapa y el Valle de Lluta con una extensi´on de 127 hect´areas en la Regi´on de Arica y Parinacota. En ´el se construir´a el Parque fotovolt´aico que tomar´a la energ´ıa solar desde el amanecer hasta la puesta del Sol, para esto se contar´a con un sistema de seguimiento. En el interior del recinto se dispondr´a de los paneles y contaran con un cierre perimetral de Acmafor para su protecci´on. 1
SING: Sistema inteconectado norte grande
2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
2.2. 2.2.1.
Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada Dispositivos fotovolt´ aicos
Efecto fotovolt´ aico La conversi´on de las radiaciones ´opticas en energ´ıa el´ectrica se conoce como efecto fotovolt´aico 2-1, que ocurre cuando la luz solar incide sobre un material denominado semiconductor, los fotones, o part´ıculas energ´eticas, son capaces de transmitir su energ´ıa a los electrones de valencia del semiconductor para que se rompa el enlace que lo mantiene unido a los a´tomos respectivos, quedando un electr´on libre para circular dentro del s´olido por cada enlace roto. La falta de electr´on en el enlace roto, que se denomina hueco, tambi´en puede desplazarse libremente por el interior del s´olido, transfiri´endose de un a´tomo a otro debido al desplazamiento del resto de los electrones de los enlaces. Los huecos se comportan en muchos aspectos como part´ıculas con carga positiva igual a la del electr´on. El movimiento de los huecos y los electrones en direcciones opuestas genera una corriente el´ectrica.
Figura 2-1: Efecto fotovolt´aico
Funcionamiento de una c´ elula solar En las c´elulas solares este campo el´ectrico se logra en la uni´on de dos regiones de un cristal semiconductor, de conductividades de distinto tipo. Para c´elulas solares de Silicio, una de las regiones (regi´on tipo n) se realiza un proceso llamado Dopaje2 con f´osforo. El procedimiento se realiza sustituyendo algunos a´tomos de Silicio por a´tomos de F´osforo. El silicio como elemento qu´ımico cuenta con 14 electrones de los cuales 4 son de valencia, quedando disponibles para unirse con 2
Dopaje: Agregar impureza al Silicio
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2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
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los electrones de valencia de otros ´atomos. El F´osforo cuenta con 5 electrones de valencia. As´ı 4 de ellos ser´an utilizados para llevar a cabo los enlaces qu´ımicos con a´tomos adyacentes de Silicio, mientras que el quinto podr´a separarse del ´atomo mediante una estimulaci´on aportada por una fuente externa de energ´ıa. La otra regi´on (regi´on tipo p) se impurifica con Boro, que tiene 3 electrones de valencia, por lo que quedar´a una regi´on con mayor cantidad de huecos que de electrones. De este modo aparece un campo el´ectrico dirigido de la regi´on p a la regi´on n debido a las diferencias de concentraciones de huecos y electrones. El efecto fotovolt´aico queda expresado en la siguiente expresi´on(??).
Ef =
h·c λ
(2-1)
donde, Ef : Efecto fotovolt´aico h : Constante de Planck, 6, 625 · 10−34 (J · s) c : velocidad de la onda λ : Longitud de la onda Por lo tanto, al iluminar una uni´on p − n el campo el´ectrico conduce los portadores y dificulta la recombinaci´on, pero la presencia de tension en los terminales de la uni´on (por ejemplo, ca´ıda de tensi´on en una resistencia alimentada por la fotocorriente) favorece la recombinaci´on (corriente de oscuridad o corriente del diodo). La fotocorriente ahora es aprovechable por un circuito (corriente alumbrado, corriente de generaci´on). La corriente en una c´elula solar es un balance entre la fotocorriente y la corriente de oscuridad que, a su vez depende de la tension aplicada en los terminales del dispositivo. Esta relaci´on se representa en. Cuando la tension aplicada es nula (la c´elula esta cortocircuitada) la corriente se debe a la fotocorriente. El valor de la corriente permanece casi constante hasta las cercanias del voltaje donde el diodo comienza a conducir. A partir de ese punto la corriente disminuye abruptamente hasta llegar a un valor nulo (c´elula en circuito abierto)en el punto donde la fotocorriente y la corriente de oscuridad quedan compensadas. Los dos puntos extremos de cortocircuito y circuito abierto quedan definidos con dos par´ametros, la corriente de cortocircuito,Isc , y la tensi´on de circuito abierto,Voc , Estos dos par´ametros suelen estar presentes en la informaci´on asociada a una c´elula. En funci´on de estos se puede escribir la siguiente ecuaci´on (??) , que
2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
8
Figura 2-2: C´elulas de Silicio describe la curva caracter´ıstica de una c´elula.
e (Voc − V ) I = Isc · 1 − exp m · k · Tc
(2-2)
Punto de m´ axima potencia Es evidente que en la figura 2-3 se observa un punto m´aximo denominado MPP, maximun power point , por sus siglas en ingl´es La localizaci´on de este punto dP , La potencia en ese punto ser´a la nominal, Pmpp = esta definida por la condici´on dV Impp · Vmpp , las unidades de esta potencia son (W p) Vatios pico o Watts peak en ingl´es. Los valores de potencia en corriente continua son P = V · I , de aqu´ı se deduce que:
dI dV d(I · V ) =V · +I · dV dV dV
(2-3)
d(P ) = V · dI + I · dV
(2-4)
2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
9
Figura 2-3: Curvas corriente tensi´on (linea discontinua) y potencia tensi´on (linea continua) de una c´elula solar dI dP > 0 o, de forma equivalente, dV > − V1 . entre este Antes de este punto, dV dI dP < 0 o, de forma equivalente, dV < − V1 . En el punto punto y el circuito abierto dV de m´axima potencia se cumplir´a:
Impp d(I · V ) =− dV Vmpp
(2-5)
Factor de forma y eficiencia El ´area encerrada por el rect´angulo definido por el producto Impp · Vmpp , como se observa en la figura 2-3 es menor a la que encierra la curva Isc · Voc . La relaci´on entre a´reas se cuantifica como el factor de forma: FF =
Impp · Vmpp Isc · Voc
(2-6)
El factor de forma es cercano a uno. Su valor normalmente esta comprendido entre 0, 7 y 0, 8 y var´ıa de una c´elula a otra muy poco. Conocidos Isc y Voc es posible calcular la potencia en el punto de m´axima potencia, dado que Pmpp = F F · Isc · Voc Por otro lado la calidad o perf ormance de una c´elula se puede cuantificar con la eficiencia de conversi´on, dado por la ecuaci´on 2-7 . η=
Impp · Vmpp PL
(2-7)
2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
Figura 2-4: Eficiencia v/s a˜ no de paneles fotovolt´aicos donde PL representa la potencia luminosa que incide en la c´elula, este valor de eficiencia corresponde al caso en que el acoplamiento entre carga y la c´elula permite a esta trabajar en el punto de m´axima potencia. Las c´elulas de silicio que se fabrican ofrecen eficiencias comprendidas entre 13 % y 17 %.
Condiciones est´ andares de medida Se define condici´on est´andar de medida a condiciones nominales en la cual las c´elulas funcionaran STC3 , v´alidas para caracterizar una c´elula o un m´odulo en un laboratorio de medida. Estas condiciones vienen determinadas por: Irradiancia: Gstc = 1000W /m2 con incidencia normal. a
Temperatura de la c´elula: Tc = 25◦ C Masa de aire: AM = 1, 5
Normalmente se escribe un asterisco como super´ındice aquellos par´ametros medidos en estas condiciones. frecuentemente los fabricantes informan los valores 3
STC:standard test conditions de sus siglas en ingles
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2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
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∗ ∗ ∗ de las tensiones Voc∗ y Vmpp y las corrientes Ioc y Impp . A partir de estos valores es posible referir a estas condiciones la potencia: ∗ ∗ ∗ Pmpp = Impp · Vmpp
(2-8)
y el factor de forma: ∗ Pmpp ∗ ·V∗ Isc oc
(2-9)
∗ ∗ Impp · Vmpp η= A · Gstc
(2-10)
FF∗ = y la eficiencia:
Circuito equivalente de una c´ elula solar Para analizar el comportamiento de una c´elula en un circuito es conveniente emplear modelos equivalentes alternativo a la Ecuaci´on ??. La corriente fotogenerada puede ser modelada con un generador de corriente, mientras que la corriente de oscuridad puede ser representada con un diodo, tal y como se reconoce en la figura 2-5. En esta figura se incluyen una resistencia serie y una resistencia paralelo para efectos no incluidos en la ecuaci´on ??, pero apreciables en las c´elulas reales.
Figura 2-5: Modelo el´ectrico c´elula solar La resistencia serie representa la resistencia debida a los contactos met´alicos con el semiconductor, a las capas semiconductoras y a la malla de metalizaci´on. Esta resistencia reduce principalmente el factor de forma y, en menor medida, la corriente de cortocircuito. Es interesante comprobar que, una vez conocidos los valores de los cuatro par´ametros el´ectricos de la c´elula (Isc ,Voc ,Impp ,Vmpp ), es posible obtener el valor de Rs a partir de la ecuaci´on con la informaci´on que el fabricante suministra sobre las corrientes y tensiones del dispositivo:
Rs =
∗ Voc∗ − Vmpp + m · Vt · ln(1 − ∗ Impp
∗ Impp ∗ ) Isc
(2-11)
2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
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La resistencia paralelo representa las fugas de corriente en los bordes de la c´elula, los posibles cortocircuitos met´alicos y la recombinaci´on favorecida en las fronteras del grano de cristal. Esta resistencia reduce el factor de forma y al tension de circuito abierto. En general, toma valores suficientemente altos como para que su influencia en el funcionamiento global sea baja y de ah´ı que frecuentemente se desprecie su contribuci´on. Ademas, considerando que el valor de la exponencial es notablemente superior a uno en todas las condiciones de operaci´on y que la corriente de cortocircuito es equivalente a la corriente fotogenerada, se obtiene la ecuaci´on que emplearemos como curva caracter´ıstica de la c´elula solar.
V − Voc + I · Rs I = Isc · 1 − exp m · Vt
(2-12)
M´ odulo fotovolt´ aico Las caracter´ısticas el´ectricas de una c´elula no son suficientes para alimentar las cargas convencionales. Es necesario realizar agrupaciones en serie y paralelo para entregar la tension y la corriente adecuadas. Un modulo fotovolt´aico es una asociaci´on de c´elulas a las que se protege f´ısicamente de la intemperie y a´ısla el´ectricamente del exterior, dando rigidez mec´anica al conjunto a trav´es de una estructura de aluminio para facilitar el anclaje del modulo a las estructura de soporte.
Figura 2-6: Estructura panel fotovolt´aico Existen varios tipos de m´odulos, tanto por su configuraci´on el´ectrica como por sus caracter´ısticas estructurales y est´eticas. En general, la asociaci´on de c´elulas es encapsulada en dos capas de EVA ( etileno vinilo acetato), entre una lamina frontal de vidrio y una capa posterior de un pol´ımero termopl´astico (frecuentemente se emplea el tedlar).
2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
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Para los m´odulos compuestos por c´elulas de silicio cristalino es de aplicacion la norma internacional IEC 61215 ”Crystaline Silicon Terrestrial Photovoltaic (PV) Modules - Design Qualification and Type Approval”. Esta norma recoge los requisitos de dise˜ no y construcci´on de m´odulos fotovolt´aicos. Asimismo, detalla un procedimiento de prueba a los que se debe someter el modulo que desee contar con la certificaci´on.
Efecto de la temperatura y la radiaci´ on Un panel o m´odulo fotovolt´aico se compone Ncs de c´elulas en serie y Ncp ramas paralelo, bajo el supuesto que son id´enticas, la tensi´on del m´odulo es Vm = Ncs V˙ c y la corriente del m´odulo es Im = Ncp I˙c , siendo Vc y Ic la tensi´on y corriente de una c´elula, respectivamente. La curva caracter´ıstica de un m´odulo puede calcularse de forma aproximada con: Vm − Voc + Im · Rs (2-13) I = Isc · 1 − exp Vt Como aproximaci´on se supone que la corriente de cortocircuito depende exclusivamente y de forma lineal de irradiancia: Isc = Gef ·
∗ Isc Gstc
(2-14)
y la tensi´on de circuito abierto depende exclusivamente de la temperatura de la c´elula y decrece linealmente con ella: Voc (Tc ) = Voc∗ + (Tc + Tc∗ )
dVoc dTc
(2-15)
Si no existe informaci´on por parte del fabricante, para c´elulas de silicio lo habitual es emplear el valor: dVoc = 2, 3mV /◦ C dTc
(2-16)
Existen datos del fabricante para una condici´on nominal de temperatura. No obstante, un valor de 47◦ C es aceptable para un amplio rango de m´odulos fotovolt´aicos de silicio cristalino. El efecto de la temperatura en la curva caracter´ıstica queda expresado en la figura 2-7y el efecto de la irradiancia en la figura 2-8. Es f´acil comprobar que la corriente y la potencia aumentan con el nivel de irradiancia incidente, y la tensi´on y la potencia disminuyen con la temperatura ambiente.
2.2 Aspectos de la tecnolog織覺a utilizada
Figura 2-7: Efecto de la temperatura
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2.2 Aspectos de la tecnolog織覺a utilizada
Figura 2-8: Efecto de la irradiancia
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2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
2.2.2.
Inversores DC/AC
La innovaci´on tecnol´ogica en los sistemas el´ectricos de las u ´ltimas dos d´ecadas a sido muy importante. Una de las principales tecnolog´ıas a utilizar sera la electr´onica de potencia y su integraci´on a las energ´ıas renovables no convencionales. La electr´onica de potencia se ha posicionado como una rama mayor de la ingenier´ıa el´ectrica tras d´ecadas de evoluci´on tecnol´ogica en dispositivos semiconductores, conversores, t´ecnicas de modulaci´on maquinas el´ectricas y sistemas avanzados de control. Ya se percibe el impacto en la industrializaci´on global y sistemas de energ´ıa mas eficientes.
Conceptos generales La potencia suministrada por un generador fotovolt´aico es a tensi´on continua, esta debe ser acondicionada para permitir un correcto acoplamiento a la red el´ectrica. El equipo encargado de realizar esta tarea se denomina inversor DC- AC, esta conversi´on se realiza cumpliendo con determinados requisitos de tension eficaz, frecuencias, distorsi´on arm´onica de las ondas de tensi´on y de corriente, eficiencia y rendimiento, seguridad el´ectrica, etc.
Caracter´ısticas de un inversor comercial La informaci´on que se puede obtener de la ficha t´ecnica proporcionada por el fabricante de un inversor puede incluir los siguientes par´ametros: Potencia nominal y m´axima, esta u ´ltima un porcentaje de sobrecarga que el equipo es capaz de soportar durante un determinado periodo de tiempo (indicado por el fabricante). Ventana de b´ usqueda del Punto de M´axima Potencia (MPP en siglas inglesas), es el rango de tensiones en las que el inversor aplica un algoritmo de b´ usqueda del MPP del generados fotovolt´aico. Tensi´on m´axima de entrada: es la m´axima tension que el inversor puede soportar sin sufrir da˜ no. Tensi´on nominal de salida: es la tension de la red a la que se puede conectar el inversor. Eficiencia m´axima: m´aximo valor que toma la relaci´on de potencia de salida y la potencia de entrada.
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2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
Rendimiento (Europeo): es la relaci´on entre la energ´ıa que entrega un inversor y la que recibe de un generador fotovolt´aico funcionando en unas condiciones particulares geogr´aficas. este par´ametro se considera para determinar la calidad energ´etica que entregan paneles de distintos fabricantes. Umbral de arranque : seg´ un las unidades en las que se expresa , puede indicar la radiaci´on solar incidente en el generador (W /m2 ) o la potencia de entrada (W ) necesaria para que el inversor comience el proceso de conversi´on.
Tipos de inversores Los inversores pueden agruparse en tres categor´ıas: Inversor central: Un u ´nico inversor dedicado a todo el generador (o un conjunto de ramas). Son recomendados para instalaciones de mediano a gran tama˜ no. Inversor orientado a rama: un inversor dedicado a una rama del generador.Orientado a algunos sistemas de integraci´on arquitect´onica. Modulo AC: un inversor dedicado a un modulo, orientado a peque˜ no sistema demostrativo. La potencia del inversor debe estar en consonancia con la potencia del generador (una planta de 1MWp debiera contar con 10 inversores de 100kW o 4 de 250kW, pero no con 200 de 5kW). Y para centrales medianas a grandes s´olo se debe utilizar inversores trif´asicos.
Principio de funcionamiento El inversor DC/AC generalmente funciona como fuente de corriente autoconmutada y sincronizada con la red. Un inversor suele estar compuesto por los siguientes bloques: Filtro de entrada: aten´ ua el rizado que produce la conmutaci´on en la corriente de entrada. Convertidor DC/DC: adecua (eleva o reduce) la tensi´on de salida del generador a la tension necesaria para el puente de conmutaci´on. Puede realizar las funciones de b´ usqueda del punto de m´axima potencia.
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2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
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Puente inversor: realiza el troceado de la se˜ nal continua para convertirla en alterna. Filtro de salida: elimina o aten´ ua los arm´onicos no deseados. Transformador: adecua el valor de la tension de salida del puente al de la red y proporciona aislamiento galv´anico entre CC/AC. Control: realiza la supervisi´on de la entrada y salida del convertidor DC/DC y del puente inversor y entrega las consignas correspondientes para localizar y seguir el MPP del generador, y para obtener una se˜ nal sinusoidal con bajo contenido de arm´onicos en la salida. El elemento fundamental de este equipo es el puente de conmutaci´on, compuesto por un conjunto de dispositivos semiconductores de potencia (MOSFETs y IGBTs, principalmente). Si consideramos una fuente de tension continua conectado a la entrada de un conjunto de dispositivos semiconductores de potencia, se puede obtener a la salida ondas de tension y corriente alternas mediante la conmutaci´on controladas de esos dispositivos. El funcionamiento b´asico se puede entender a partir del circuito de la figura 2-9. Representa un inversor de puente completo en H con dos ramas de inversi´on, cada una con dos dispositivos de conmutaci´on controlados para conseguir un determinado valor de tension de salida, corriente, nivel de arm´onicos,etc. Este tipo de conmutaci´on produce a la salida del inversor una se˜ nal una se˜ nal cuadrada con un valor de tensi´on peak y eficaz V y periodo T . Se puede calcular la distorsion armonica total THD 4 . La versi´on trif´asica de este inversor utiliza tres ramas de inversi´on controladas por patrones de conmutaci´on con onda cuadrada desfasados en 120◦ . en este caso los valores de THD, se calculan con la ecuaci´on 2-17. Estos valores obtenidos son inferiores incluso a un inversor monof´asico de puente completo. v u X ∞ cos2 n π6 1 u t = 0, 3103 T HDv = cos π6 n=3,5,.. n2
(2-17)
Considerando que este tipo de implementaci´on tiene un bajo nivel de perdidas y es muy sencillo, este patr´on de onda cuadrada tiene serios inconvenientes, por lo relevante de su alto nivel de distorsi´on de onda, la existencia de arm´onicos cercanos al fundamental y la imposibilidad de regular el valor de la tension de salida. Como soluci´on a la anterior situaci´on, se plantean otros patrones de conmutaci´on dando diferentes soluciones a la regulaci´on de la tension de salida y de 4
THD:total harmonic distorsion
2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
Figura 2-9: Esquema de un inversor monof´asico con topolog´ıa V SI, incluye un convertidor DC/DC tipo Boost (elevador) junto con el puente inversor,ambos utilizan IGBTs, adem´as incluye un transformador de baja frecuencia a la salida. la reducci´on de distorsi´on. Destacaremos u ´nicamente el basado en modulaci´on del ancho de pulso PWM 5 . Este m´etodo consiste en generar un patr´on de conmutaci´on a partir de la comparaci´on entre una onda de referencia con una onda triangular. El caso mas com´ un elige una sinusoide como se˜ nal de referencia, adquiriendo la denominaci´on SPWM (modulaci´on del ancho de pulso con se˜ nal sinusoidal): como lo muestra la figura 2-11 , este m´etodo genera un pulso de polaridad positiva cuando la se˜ nal sinusoidal supera a la onda triangular y un pulso de polaridad negativa en caso contrario. Recorriendo la secuencia de pulsos que se obtienen es facial comprobar que el ancho de pulso es variable, con pulsos positivos mas anchos al aproximarse al m´aximo de la sinusoide, y anchura similar de pulsos positivos y negativos en los pasos por cero de esta se˜ nal de referencia.
Figura 2-10: Evoluci´on temporal de una onda cuadrada La frecuencia de la onda sinusoidal es la que se desea como arm´onica fun5
PWM:Pulse Width Modulation
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2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
Figura 2-11: Onda SPWM monof´asica bipolar damental de la onda de salida. La frecuencia de la onda triangular, y por tanto la frecuencia de conmutaci´on, esta relacionada con la de la onda sinusoidal mediante el denominado indice de modulaci´on de frecuencia. una ventaja fundamental de este tipo de modulaci´on reside en la reducci´on de la distorsi´on arm´onica que depende ahora del indice de modulaci´on de frecuencia. As´ı, por ejemplo, para un valor de referencia de conmutaci´on de 10 kHz y para una onda de salida de 50 Hz, el primer armonio estar´ıa alrededor del orden 200. este arm´onico esta muy alejado de la componente fundamental y sera mas f´acilmente filtrable. Sin embargo, aunque podr´ıa ser deseable utilizar una frecuencia de conmutaci´on lo mayor posible, debe tenerse en cuanta que las perdidas de conmutaci´on aumentan proporcionalmente con la frecuencia. Por tanto, debe elegirse un compromiso que a´ une valores adecuados de eficiencia y distorsi´on arm´onica. Por otra parte, la amplitud de la onda sinusoidal y de la onda triangular est´an relacionadas mediante el indice de modulaci´on de amplitud. De esta forma , la amplitud de la onda de salida es modificable por el sistema de control. Finalmente, el control SPWM aplicados a un inversor trif´asico puede calcularse a partir de cada una de las funciones de conmutaci´on aplicadas a cada una de las tres ramas. Estas funciones de conmutaci´on surgen de la comparaci´on entre una onda triangular y tres sinusoides desfasadas en 120◦ entre s´ı. Hasta aqu´ı se ha supuesto que el inversor esta dise˜ nado con topologia de fuente de tension (VSI:voltaje source inverter )(Figura 2-9). Este tipo de inversores consideran que la tension en su entrada no depende de los cambios que se produzcan en su salida. Sin embargo, la tension de un generador FV depende de las condiciones meteorol´ogicas y del punto de trabajo (MPP). Parece as´ı que la suposici´on necesaria para la topologia VSI no es aplicable en sistemas fotovoltaicos. Sin embargo, deben hacerse dos consideraciones:
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2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
En sistemas de conexi´on a red , los inversores incorporan un algoritmo de b´ usqueda del MPP. Es com´ un que este algoritmo este incorporado en un sistema de control que act´ ua sobre la tensi´on de entrada de un convertidor DC/DC, situado a la entrada del inversor. De esta manera el sistema de control del inversor al generador FV un valor de tension de trabajo. El proceso de conmutaci´on del convertidor elevador y el puente inversor produce en la entrada un rizado que debe ser filtrado. Para reducir este rizado, los inversores suelen incorporar en su entrada un filtro compuesto por condensadores. el comportamiento de un condensador reduce las variaciones de la tension en la entrada del inversor.
Estos dos factores de dise˜ no permiten asumir que la entrada de l puente de conmutaci´on se comporta como una fuente de tensi´on. Por otra parte, los inversores de conexi´on a red vierten su energ´ıa el´ectrica, cuyo comportamiento es asimilable a una fuente de tensi´on con una impedancia en serie. Esto quiere decir que la tensi´on a la salida del inversor vendr´a fijada por la red el´ectrica. Para conseguir que el inversor funcione correctamente se utiliza una combinaci´on de control de corriente y elementos inductivos en la salida de forma que el inversor se comporte como una fuente de corriente en su salida. El control obligara a que esta fuente de corriente guarde una cierta fase con la tension de red y a que su amplitud este en consonancia con la corriente de entrada al inversor (determinada por el algoritmo de b´ usqueda del MPP). https://descubrelaenergia.fundaciondescubre.es/2013/09/11/que-es-el-efectofotovoltaico/
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2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
2.2.3.
Instalaci´ on
Descripci´ on de los elementos para el desarrollo del sistema M´ odulos Los M´odulos fotovolt´aicos son el principal componente de este sistema junto a los inversores CC-AC y en esta secci´on se detallan sus caracter´ısticas y par´ametros nominales de funcionamiento. La elecci´on correcta de los mismos va a condicionar en gran medida la producci´on final de la instalaci´on.
Figura 2-12: Panel fotovolt´aico Modelo CRM230S de CHAORISOLAR (Cat´alogo CHAORI)
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2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
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M´ odulo tipo CRM230S-156P60 CHAORI Caracter´ısticas mec´ anicas y el´ ectricas Potencia m´axima Voltaje de circuito abierto(Voc) Corriente de corto circuito(Isc) Voltaje a m´axima potencia (Vmp) Corriente a m´axima potencia (Imp) Eficiencia (η) Peso Numero de c´elulas Tama˜ no c´elula Tama˜ no m´odulo
230(W) 37,1(V) 8,21(A) 29,8(V) 7,71(A) 14,14 % 19 (Kg) 60 pcs poly 156*156 mm 1636*994*40 mm
Estructura para los m´ odulos La estructura met´alica sobre la que se situar´an los m´odulos fotovolt´aicos se indicara mas adelante el metodo para sostener la disposici´on que mejor se adecue para obtener el mejor angulo a la irradiaci´on solar. La utilizaci´on de una adecuada estructura facilita las labores de instalaci´on y mantenimiento, minimiza la longitud del cableado, evita problemas de corrosi´on y mejora la est´etica de la planta en su conjunto. Dichas estructuras van colocadas sobre apoyos generalmente de hormig´on de diferentes formas micropilote, zapata, zapata corrida o losas. El tipo de estructura, viene determinada por el tipo de seguimiento que se realice del Sol en su avance en la b´oveda celeste. Se puede encontrar tres tipos de tecnolog´ıas: Fijas: Son econ´omicas, flexibles y rentable, pero con la desventaja . 1 eje Horizontal: 1 eje Azimutal: 1 eje Polar: 2 eje : La estructura elegida ser´a de acero galvanizado en caliente, material resistente a la corrosi´on y con un buen compromiso calidad-precio (m´as resistente que el acero inoxidable y m´as barato). Debe soportar vientos de 60 a 100 km/h, situar´a a los m´odulos a una altura de m´as de 0.5 m del suelo, debe estar el´ectricamente unida a una toma de tierra, y asegurar´a un buen contacto el´ectrico entre el marco del m´odulo y la tierra para permitir la protecci´on de las personas frente a posibles p´erdidas de aislamiento en el generador.
2.2 Aspectos de la tecnolog´ıa utilizada
Figura 2-13: Ejemplo soporte fijo Rama o String Caja de conexi´ on Caja de agrupaci´ on Emplazamiento Bloques de potencia
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2.3 C´alculos
2.3. 2.3.1.
C´ alculos Estudio energ´ etico
La Radiaci´ on Solar Energ´ıa solar Ya eh planteado que la energ´ıa es importante, debemos plantearnos como pa´ıs al 2030 con cambios en esta materia. El Sol es una fuente de energ´ıa inagotable por lo tanto ayuda a un desarrollo sostenible y esta provocando una menor dependencia energ´etica de otras fuentes de energ´ıa.
Energ´ıa solar en Chile Los beneficios de usar energ´ıa solar son muchos y variados, van desde beneficios medioambientales, econ´omicos y sociales hasta educativos: En primer lugar es limpia con el Medio Ambiente, cada 20kW generados con energ´ıa solar evita la emisi´on de 10 kg. de CO2 al a˜ no . Por consiguiente es una lucha contra el cambio clim´atico y efecto invernadero.
Potencial solar en Chile Estimaci´ on del potencial del sistema
2.3.2.
C´ alculos el´ ectricos
Orientaci´ on de los m´ odulos
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