componentes del sistema y configuraciones - prof....

Universidad del TuraboSchool of Engineering

ETRE 130

Ing. Egberto Hernández

Componentes del Sistema y

Configuraciones

Componentes Todo sistema Fotovoltaico requiere equipos eléctricos

como:

Sistema de Control

Sistema de Conversión DC-AC

Sistema de Distribución

Almacenamiento (Baterías, Capacitores, etc.)

Cabe destacar que dependiendo la aplicación e instalación del sistema requiere otros componentes operacionales para que el sistema trabaje eficientemente.

Módulos Y Arreglos Un arreglo consiste en módulos de celdas fotovoltaicas

conectados entre ellas para así producir el voltaje que deseamos, la corriente deseada y la potencia deseada en el diseño de la instalación.

Los módulos producen voltaje DC, el cual podemos utilizar para: Cargar Baterías

Conectar directamente cargas que utilizan DC

Convertir el DC a AC

Hacer un interface entre el DC y el AC dependiendo de la aplicación.

Sistema de Almacenamiento de Energía Batería

Convierte energía química en energía eléctrica.

Los sistemas fotovoltaicos usan bancos de baterías que están conectados en serie y paralelo dependiendo las características a las cuales conectemos nuestro sistema.

El tamaño de las baterías se conoce según su capacidad esta capacidad se puede medir en Amperes-horas o kilowatts-horas.

Sistema de Almacenamiento de Energía Batería

Sistema de Almacenamiento de Energía “Flywheels”

Son grandes en comparación a las baterías.

Son comúnmente utilizadas para transferir Potencia a motores, bombas de aguas y otras cargas rotacionales.

La cantidad almacenada depende de la masa, la forma y la velocidad a la cual este gira.

Esta energía es energía cinética la cual es convertida en electricidad.

Esta tecnología es bien eficiente y requiere poco mantenimiento.

Se usa para almacenar sistemas de pequeñas escalas de 2kWh a 25kWh con una eficiencia de 90%.

Sistema de Almacenamiento de Energía “Flywheels”

Sistema de Almacenamiento de Energía Súper Capacitor Almacena energía mediante un campo eléctrico que se

desarrolla por dos cargas opuestas entre dos conductores separados por un material dieléctrico.

Capacitancia es la habilidad de almacenar cargas eléctricas y se mide en FARADS (faradios).

Esta tecnología usa material avanzado para incrementar la capacitancia, resultando un aumento significante aumento en el almacenamiento de energía.

Estos súper capacitores están remplazando las baterías en aplicaciones de bajo voltaje.

Sistema de Almacenamiento de Energía Súper Capacitor

Equipos Principales

Inversor

Dispositivo que convierte de DC a AC.

En el sistema fotovoltaico el Inversor es bien importante cuando se quiere obtener electricidad AC.

Este AC se puede exportar al “Grid” de la AEE.

Típicamente estos inversores son 120V a 240V (“single-phase”)

Equipos Principales

Inversor

Equipos Principales Cargador (“Charge Control”) Dispositivo que controla la carga de las baterías.

Controla el voltaje y la corriente al cargar las baterías.

Este controlador se encarga de monitorear que las baterías no se vayan a sobre cargar y también controla la descarga de las baterías, prolongando la vida útil de la batería.

El cargador es importante para el rendimiento del sistema.

Equipos Principales

Cargador (“Charge Control”)

Equipos Principales

Rectificador y Cargador

Rectificador

Dispositivo que rectifica la señal AC a una Señal DC.

Cargador

Dispositivo que combina rectificadores, filtros, transformadores y otros componentes DC para poder cargar las baterías.

Equipos Principales

Rectificador y Cargador

Equipos Principales

Convertidor DC – DC

Dispositivo que convierte un voltaje DC a otro voltaje DC. Ejemplo:

48V @10A a 24V @ 20A

Este dispositivo es bien importante ya que nos ayuda a poder convertir el voltaje DC en lo que necesitemos.

Cargas Eléctricas

Son los dispositivos eléctricos que conectamos. AC Dispositivos comunes utilizados en nuestro diario vivir

Ejemplo:

Nevera

Lavadora

Micro-onda

Etc.

DC Mayormente dispositivos electrónicos

Ejemplo

Cargadores (celulares, baterías, etc.)

Configuración del Sistema PV

“Direct-Coupled Systems”

Es un arreglo que se conecta directamente a la carga DC.

Esta aplicación se utiliza para cargar celulares, baterías y aplicaciones que se vayan a utilizar en el momento.

Configuración del Sistema PV

“Self Regulating Systems”

Es un arreglo que requiere algún sistema de almacenamiento.

Baterías

Se utiliza para energizar cargas DC y la batería nos permite tener almacenamiento, por ende es mas duradero y eficiente y se puede utilizar para acampar, etc.

Este sistema es propenso a que se sobre cargue la batería debido a que no tiene ningún tipo de control que regule este hecho.

Sistema Interactivo • Sistema conectado en Paralelo a el Grid, en nuestro

caso AEE.

• Este sistema es llamado típicamente “Grid –Connected”

• Es un sistema un poco mas caro ya que necesita otros componentes para acoplar el sistema al Grid.

• Cabe destacar que tiene una distribución bidireccional es por esto que el sistema es un poco mas complicado que los anteriores.

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Sistema Interactivo


“Net – Metering” • Este sistema permite exportar la electricidad que el

sistema PV genera.

• Con este sistema la AEE nos acredita ese exceso y nos lo resta de la factura.

• Para hacer la Interconexión con el “Grid” es importante conocer la permisología que esto conlleva ya que debemos proteger nuestro sistema y el sistema de la AEE.


“Net – Metering”


“Bimodal Systems”

• Sistema que nos permite utilizarlo simplemente para la generación en nuestro hogar como también permite la opción de hacer la interconexión

• Sistema bastante costoso.

• Este sistema tiene como particularidad la conexión de cargas criticas, ósea podemos separar las cargas. Para esto es importante hacer un estudio (Censo de cargar) e identificar las llamadas cargas criticas.

– Nevera

– Computadoras

– Sistema de iluminación

– Etc. ©2012 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Sistema Hibrido Sistema que implementa energía Solar con energía Eólica.


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Ing. Egberto Hernández

Celdas, Módulos y

Arreglos


Celdas Fotovoltaicas Dispositivo semiconductor que convierte radiación

solar en corriente directa (DC).


Efecto Fotovoltaico• Movimiento de electrones en un material que absorbe

fotones.

• Es un proceso en donde se convierte la luz solar en energía en nuestro caso electricidad.

• Los fotones tienen una cantidad de energía que depende del ancho de la onda de luz. Los fotones son una unidad electromagnética de radiación.

• Dependiendo del ancho de onda de la luz el efecto fotovoltaico incrementa o disminuye.


Efecto Fotovoltaico• Una celda solar esta formada por “Wafer” que

consisten en una junta p-n.

• La junta p-n tiene limites adyacentes con una capa tipo p y tipo n. Estas capas son en material Semiconductor en contacto uno con el otro.

• Cuando la junta p-n se expone a iluminación una energía de fotones es absorbida en la junta y esta imparte electrones extras al material. Generando así el DC.


Efecto Fotovoltaico Estos electrones ganan energía potencial y están en

posición de realizar trabajo antes de volver a su estado mas bajo.


Efecto Fotovoltaico


Corriente – Voltaje (I – V)• Curva característica en la que se representa todas los

posibles puntos de operación de la Placa Fotovoltaica

– Corriente

– Voltaje

– “Output Power”

• Es una representación grafica de todos los posibles voltajes y corrientes en la operación del sistema.


Representación Grafica (I – V)• Parámetros que determina

la grafica: – Voc = voltaje en circuito

abierto (“open-circuit”)

– Isc = corriente en corto circuito (“Short-circuitcurrent”)

– Vmp = “maximum powervoltage”

– Imp = “maximum powercurrent”

– Pmp = “maximum power”


Voltaje en circuito abierto (“Open-Circuit”) Es el voltaje máximo en la grafica I-V y es el punto de

operación de un sistema fotovoltaico a circuito abierto, sin carga o sea la corriente es 0 y el “Power” es 0.


Voltaje en circuito abierto (“Open-Circuit”)

Corriente máxima en la grafica I-V y es el punto de operación de un sistema fotovoltaico a no carga o corto circuito, no hay corriente ni “Power”.

Esta corriente permite determinar la corriente máxima que puede soportar un arreglo Fotovoltaico.


Voltaje en circuito abierto (“Open-Circuit”)


Maximum Power Point

Es el punto de operación donde el sistema fotovoltaico produce su máximo “Power Output”, entre el voltaje a circuito abierto y la corriente en corto circuito.

El “power” máximo es llamado “Peak Power” y es expresado en “Peak Watts” (Wp).

“Maximum Power Voltage”

Es el voltaje de operación máximo en la curva I – V.

“Maximum Power Current”

Es la corriente de operación máxima de la curva I – V.


Maximum Power Point

Es el punto de operación donde el sistema fotovoltaico produce su máximo “Power Output”, entre el voltaje de circuito abierto y la corriente en corto circuito.

El “power” máximo es llamado “Peak Power” y es expresado en “Peak Watts” (Wp).


Maximum Power Point

El “Maximum Power” se calcula utilizando la formula.

Pmp = Vmp x Imp

Donde Pmp = “maximum

power” (W)

Vmp = “maximum power voltage” (V)

Imp = “maximum power current” (I)


Maximum Power Point

Ejemplo #1:

Cual es el máximo “power” de un sistema fotovoltaico con un “maximum power voltage” de 23.5V y un “maximum power current” de 7.1 A?


Maximum Power Point Ejemplo #1:

Cual es el máximo “power” de un sistema fotovoltaico con un “maximum power voltage” de 23.5V y un “maximum power current” de 7.1 A?

Solución

Formula

Pmp = Vmp x Imp

Pmp = (23.5) x (7.1)

Pmp =166.8 W


“Fill Factor” (FF) • Es la proporción del máximo “power” producido por el

voltaje de circuito abierto y la corriente en corto circuito.

• El FF representa el rendimiento cualitativo del sistema fotovoltaico y la forma de la curva I – V.

• Si el FF es alto esto quiere decir que el voltaje y la corriente en “maximum power” están cerca del valor de el voltaje de circuito abierto y la corriente en corto circuito respectivamente.


“Fill Factor” (FF) • “Fill Factor” (FF)

• El “Fill Factor” se calcula utilizando la formula.

• FF = 𝑃𝑚𝑝𝑉𝑂𝐶 𝑥 𝐼𝑆𝐶

• Donde

• FF = “Fill Factor”

• Pmp = “maximum power” (W)

• VOC = Voltaje a circuito abierto (V)

• ISC = Corriente en corto circuito (I)


• “Fill Factor” (FF)

• Ej. #2: Cual es el FF de una celda solar con un “Power” máximo de 3W y un voltaje de circuito abierto de 0.6V y una corriente en corto circuito de 7 A?

• Solución

• FF = 𝑃𝑚𝑝𝑉𝑂𝐶 𝑥 𝐼𝑆𝐶

• FF = 30.6 𝑥 7

• FF = 0.714

• FF = 71.4%


Eficiencia

Es el proporción de “power’ de salida a “power” de entrada.

La eficiencia de una placa fotovoltaica depende considerablemente de su tecnología.

La eficiencia se expresa en porciento


• Eficiencia • •La Eficiencia se calcula con la siguiente formula: • •ɳ = 𝑃𝑚𝑝𝐸 𝑥 𝐴• Donde • ɳ = eficiencia • Pmp = “maximum power” (W) • E = Irradiación solar (W/m2) • A = área (m2) • Ej. #3: Cual es la eficiencia de un modulo FV con un area de

1.2m2 y un “power” maximo de 160W cuando esta expuesto a una irradiacion solar de 1000 W/m2


Eficiencia

ɳ = 𝑃𝑚𝑝𝐸 𝑥 𝐴

ɳ = 1601000 𝑥 1.2

ɳ = 0.133

ɳ = 13.3%


Conexiones Eléctricas Conexión en serie

–Celdas individuales conectadas en serie soldadas con líneas metálicas. En la parte superior se conecta el terminal negativo y en la parte inferior se conecta el termina positivo.

–Los módulos se conectan en serie conectando el terminal negativo al terminal positivo del próximo modulo.

–Los módulos conectados en serie tiene en la misma corriente de salida.


Conexión en Paralelo

–Conexiones en paralelo no se utilizan en sistemas fotovoltaicos individuales.

–Conexiones paralelas envuelven conectar el terminal positivo de cada “string” juntos y el terminal negativo de cada “string” también se conectan juntos.


Baterías Utilizadas en un Sistema FV

•Lead – Acid Batteries

–Son baterías costo efectivas.

–Generalmente su capacidad es de 10 Ah hasta 1000Ah.

Son Deep cycle por ende ideales para los sistemas

fotovoltaicos.

•Lead – Antimony Batteries

–Son excelentes para proveer una descarga profunda

mucho mas efectiva aumentando así el rendimiento de la

batería.

–Desventaja se descarga rápidamente sino esta conectada

a ningun tipo de carga.


• Baterías Utilizadas en un Sistema FV • •Baterias hibridad (hyrid Batteries) • –Tienen una capacidad mas duradera a la hora de descargarse. • •Nickel-Cadmium Baterries• –Vida útil mucho mas duradera que las demás. • –Poco mantenimiento • –Tiene una tolerancia de descarga mucho mas efectiva que las demás. • –La desventaja mas grave es que son muy costosas y su disponibilidad

es limitada.


Seguridad con las Baterías

•Protección Personal

•Protección a descargas eléctricas

•Protección de quemaduras con el acido de la batería

•Protección a explosiones ya sean por sobrecargarse o por sobrecalentarse


• Bancos de Baterías • •Son un grupo de baterías conectadas en serie, paralelo o en series-paralelos

dependiendo el voltaje, corriente y “output power” deseado para una optimización de nuestro sistema.

• •Conexión en serie • –El voltaje aumenta con respecto a la cantidad de baterías que se necesiten. • –La corriente siempre va hacer la misma en todas las baterías. • •Conexión en Paralelo • –El voltaje es el mismo siempre • –La corriente cambia según la cantidad de baterías conectadas • •Conexión Serie-Paralelo (conexión que es capaz de proveer un nivel de voltaje

efectivo con un nivel de corriente adecuado)


• Criterios de Selección de Baterías • •Requerimientos del sistema • –Configuración del sistema • –Corriente de descarga • –Carga y descarga diaria • –Autonomía del sistema • –Accesibilidad • –Temperatura


Características de la Batería

•Densidad de almacenamiento de energía

•Selladas o no selladas

•Carga y descarga permitida

•Características de carga

•Ciclo de vida

•Gravedad especifica de Electrolisis

•Susceptibilidad a congelación

•Susceptibilidad a la sulfatación

• Características del gas

•Self-discharge rate

•Requerimientos de mantenimiento

•Peso y tamaño

•Costo

•Garantía


Controladores de Carga (Charge Controllers)

•Dispositivo que regula la carga de la batería para optimizar el voltaje y la corriente necesaria para cargar una batería segura y eficazmente.

•Controla la corriente deliberada por las baterías.


Controladores de Carga (ChargeControllers)


Protección Contra la Sobrecarga

•Es la condición en la cual la batería esta a su máximo punto de carga.

•Este dispositivo nos ayuda a interrumpir el que las baterías se sigan cargando evitando así que las baterías se sobrecalienten.


• Protección Contra la Sobre Descarga • •Es la condición en que las baterías pierden carga debido a

su uso. • •Este dispositivo evita que las baterías se descarguen por

completo evitando así danos en la vida útil de la batería. • •Es preferible recargar la batería cuando le quede un 20%

de carga, se pueden recargar al 10%. De esta forma evitamos daños a la batería.


• Tipos de Controladores de Cargas • •Tipo interruptor • –Son controladores de ON y OFF, tan pronto se carga la batería

el sistema apaga el interruptor automáticamente y cuando la batería necesita carga se enciende.

• •Tipo linear • –Controladores que limitan la corriente gradualmente

manteniendo así un ritmo de carga constante, en otras palabras son cargadores mas eficientes y rápidos. Son compatibles con la mayoría de las baterías.


• Tipos de Controladores de Cargas • •Controladores de carga “Shunt” • –Son controladores que limitan la corriente de la batería

cortocircuitando el arreglo Fotovoltaico. • •Shunt-Interrupting Charge Controller• –Suspende completamente la corriente cortocircuitando el arreglo. • •Shunt-Linear Charge Controller• –Controla gradualmente la carga de la batería disminuyendo la

resistencia del sistema y mantiene la batería en un voltaje estable.


Tipos de Controladores de Cargas


• Tipos de Controladores de Cargas • •Controladores de carga en Serie • –Controla la corriente del sistema de baterías abriendo el circuito, entiéndase

arreglo fotovoltaico sin carga. • •Interruptor de carga en Serie • –Es un controlador que abre completamente el circuito y no permite ningún

flujo de corriente a la batería. Esto es para cuando hay una perdida de voltaje grande (voltage drop)

• •Controlador Linear de carga en Serie • –Limita la corriente de la batería gradualmente aumentando la resistencia del

sistema de los elementos en serie.


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