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Curso de profundización para formadores en

tecnología solar fotovoltaica y sus aplicaciones 1

Curso de profundización para formadores en tecnología solar fotovoltaica y sus aplicaciones

Sesión 3. Recurso solar y elementos de un sistema. Parte 2.



Agenda

1. Fuentes eléctricas híbridas

2. Introducción al modelado de fuentes de energía

3. Introducción al modelado y control de sistemas fotovoltaicos



Fuentes eléctricas híbridas



¿Qué es una fuente híbrida?

¿Qué tipos de fuentes pueden utilizarse en una fuente híbrida?

¿Pueden dar ejemplos de fuentes híbridas?

Quiz



Fuentes híbridas



¿Qué es un supercondensador?

¿Qué es una pila de combustible?

Quiz



Fuentes híbridas



Fuentes híbridas – diagrama de Ragone



Clasifique las siguientes fuentes de energía en grupos. Justifique.

1. Solar fotovoltaica

2. Baterías

3. Pilas de combustible (hidrógeno)

4. Generador diésel

5. Eólica

6. Supercondensadores

Quiz



Fuentes de conversión no reversibles

Generadores fotovoltaicos, generadores eólicos, generadores

diésel, pilas de combustible…

Proveen o entregan la totalidad de la energía al sistema:

consumo y pérdidas.

No son reversibles: no pueden almacenar energía.



Fuentes de conversión

Las FCE no reversibles se pueden dividir en dos grupos:

Las pilas de combustible y los generadores diésel se consideran

fuentes controlables.

Los generadores fotovoltaicos y eólicos generan electricidad en

función de la cantidad de luz o viento disponible y no son

completamente controlables. Son fuentes intermitentes.

Los algoritmos de control y de gestión de energía buscan minimizar la

energía generada por las fuentes controlables y maximizar la energía

generada por las fuentes intermitentes.



Fuentes de almacenamiento

Las fuentes de almacenamiento de energía garantizan

el correcto funcionamiento de la red cuando las fuentes

de conversión no están disponibles.

Se puede considerar que la energía media entregada

por estas fuentes al sistema es nula.

Concepto de reversibilidad: pueden almacenar energía.



Fuentes de conversión no reversible

• Sistemas de generación solar

• Sistemas de generación mediante turbinas eólicas

• Sistemas pila a combustible

• Grupos electrógenos

• PCHs

• Biomasa

• Otras fuentes (geotermia, mareomotriz)



Sistemas de solar térmica - CSP



Sistemas de generación mediante PVP

www.hitachi.com

http://www.hitachi.com/products/power/solar-power/outline/



Sistemas de generación mediante turbinas eólicas

ontario-wind-resistance.org

http://ontario-wind-resistance.org/2009/04/09/wind-power-is-a-complete-disaster/



Sistemas de generación mediante turbinas eólicas



Sistemas pila a combustible

…Los yacimientos de carbón proveerán a la industria aun por

mucho tiempo. ¿Cuánto tiempo? Al menos doscientos cincuenta

o trescientos años. Esto nos asegura, pero no a nuestra

descendencia!… ¿Qué utilizaremos al lugar de carbón? …

Agua descompuesta en sus elementos constitutivos…

“La Isla misteriosa”, Julio Verne, 1875.



Sistemas pila a combustible

…algún día el agua será utilizada

como combustible, el hidrógeno y el

oxigeno utilizados separada o

simultáneamente, proveerán una

fuente de calor y luz inagotable …

“La Isla Misteriosa”,

Julio Verne, 1875.



Economía del hidrógeno



¿Es necesario que eliminemos en nuestro país los sistemas de

generación diésel?

¿Qué tan limpia es la energía producida en Colombia?

Comparada con otros países. Por ejemplo Francia. Alemania

Debate

¿Qué problemas implicaría eliminar la

generación diésel?



Grupos electrógenos



Sistemas electrógenos

http://www.hindawi.com/journals/jam/2014/857541/fig1/



¿Cuáles tipos de baterías existe?

¿Cuáles son las más interesantes para los

sistemas fotovoltaicos?

¿Deben considerarse baterías en sistemas

interconectados?

¿Es posible desacoplar la potencia y la

energía en las baterías?

Quiz



Baterías

www.solsticepowersolutions.com

http://www.solsticepowersolutions.com/products/disaster-relief/sp-bess-500-battery-energy-storage-system-500kwh/



¿Qué es un volante de inercia?

¿Cómo se carga/descarga un volante de inercia?

Quiz



Volantes de inercia



Condensadores

• Dos placas paralelas con un dieléctrico en medio.

• La capacitancia esta limitada por el área de la superficie de las placas y las propiedades del dieléctrico.

𝐶 = 𝜀𝑟 𝜀𝑜𝐴

𝑑C : Capacitancia

A : Área

εr : Permitividad relativa (Constante dieléctrica)

εo : Permitividad en el espacio libre(8.854x10-12

F/m)

d : Distancia



Supercondensadores (UC)

Carbón activado:

• Extremadamente poroso con una superficie muy grande.

• La superficie se asemeja a una esponja.

• Área permite almacenar más electrones que otros conductores. https://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3n_ac

tivado#/media/Archivo:Activated_Carbon.jpg

https://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3n_activado#/media/Archivo:Activated_Carbon.jpg



Supercondensadores

• Dos capas que consisten en electrodos nanoporosos

• El separador está impregnado con un electrolito orgánico

• El separador delgado sólo puede soportar bajas tensiones



Supercondensadores

•Un UC 2.7 V 2000F

almacena 7000 J en un

volumen equivalente a

una lata de soda.

• Un condensador

electrolítico 1.5 mF - 500

V almacena menos de

200 J en el mismo

volumen.



Supercondensadores vs baterías

Supercondensadores:

• Mayor densidad de potencia

• Tasa mucho más rápida de carga y descarga

• Amigable con el medio ambiente

• Resistencia interna extremadamente baja o ESR

• Alta eficiencia (97-98%)

• Más de un millón de ciclos de carga y descarga

Baterías:

Mayor densidad de energía

Típicamente presentan 200-1000 ciclos de carga-descarga

Contienen productos químicos altamente reactivos y peligrosos

Son afectadas por bajas temperaturas



Supercondensadores• Respaldo de suplencia de potencia ininterrumpida (UPS)

• Frenado regenerativo

• Extiende la autonomía y duración de la vida útil de la batería en vehículos eléctricos híbridos (HEV)

http://articles.sae.org/11845/



¿Qué es una central hidroeléctrica

reversible?

¿De qué orden sería el

rendimiento de una central

hidroeléctrica reversible?

¿Es una solución interesante para

nuestro país?

Quiz



Centrales hidroeléctricas reversibles

http://www.thehea.org/




El gráfico que muestra una actividad

diaria típica de una planta de

almacenamiento por bombeo:

El bombeo (sobre todo, durante las

horas nocturnas) y la generación de día.

La potencia generada puede cambiar

bruscamente, dependiendo del

"respaldo" de las necesidades del

sistema de energía de una región en un

momento dado.




www.waterpowermagazine.com

http://www.waterpowermagazine.com/features/featurepumped-storage-the-future-in-germany-4291865/featurepumped-storage-the-future-in-germany-4291865-1.html



Comparación de algunas fuentes



Introducción al modelado de fuentes de energía



Modelado de fuentes de energía

• Diferentes técnicas para el modelado y la simulación de las

fuentes:

• Modelos matemáticos

• Circuitos equivalentes

• Cartografías (datos experimentales)

• Modelos computacionales e.g. lógica difusa

• Elementos finitos



Diferentes problemas, diferentes soluciones

• Los modelos se pueden clasificar en estáticos y en dinámicos.

• Los modelos estáticos no consideran los estados transitorios

son útiles para un análisis sistemático y comportamiento en

largo plazo.

• Los modelos dinámicos son útiles cuando un análisis

detallado en el corto tiempo es deseado.

• Los modelos dinámicos ofrecen mejores resultados con un

mayor costo computacional que los modelos estáticos.



Ordene los siguientes problemas de acuerdo a la complejidad en

los modelos necesarios para su estudio:

Control

Dimensionado

Gestión de energía

Disipación de calor

Quiz



Diferentes problemas, diferentes soluciones

Distintos escenarios de simulación en función de la etapa del

diseño de la micro red:

Dimensionamiento (escalas >106 segundos)

Gestión de energía (escenarios > 101 segundos)

Sistemas de control (escenarios < 10-3 segundos)

La selección del modelo mas apropiado no depende

únicamente de la exactitud de los resultados sino también del

costo computacional.



Modelado para el dimensionamiento

El dimensionamiento de las fuentes de energía requiere realizar

múltiples simulaciones en escenarios de múltiples días:

Preferiblemente utilizar modelos de bajo costo computacional

como datos experimentales o cartografías

Los resultados no serán los mas exactos, pero estos modelos se

adaptan mejor a algoritmos de optimización generalmente

basados en procesos iterativos o búsquedas exhaustivas.



Modelado para el dimensionamiento

Múltiples modelos de fuentes son presentados

en la literatura.

Muchos de estos son realizados mediante

circuitos equivalentes que contienen resistencias

y condensadores (modelos dinámicos).

Sin embargo lo ideal es utilizar modelos estáticos

de bajo costo computacional.



Los generadores

fotovoltaicos pueden

modelarse con “look-up

tables” que relacionan

la salida en potencia en

función de la irradiancia

y la temperatura

http://www.intechopen.com

Modelado de generadores PV



Modelado de generadores eólicos

Los generadores eólicos pueden modelarse con “look-up tables” que relacionan la salida en potencia en función de la velocidad del viento

http://www.fuhrlander.com/images



Modelado de generadores eólicos - dimensionamiento

Los generadores eólicos pueden modelarse con “look-up tables” que relacionan la salida en potencia en función de la velocidad del viento



Modelado de generadores diésel - dimensionamiento

https://www.utexas.edu/research/cem/Green_ship_pages/Diesel_generator_set.html

Los generadores diésel

podrían ser modelados por

la curva de eficiencia.



Modelado de pilas de combustible - dimensionamientoLas pilas de combustible pueden ser modeladas por

las curvas de polarización

Fuel Cell stack

Cooling system

http://www.fcrc.ca/documents/DetailsofFuel

CellOperationLecture3.pdf



El modelado de las FAE requiere respetar especificaciones

para almacenar o entregar energía cuando sea requerido.

Para verificar esto se puede utilizar el estado de carga

(SOC).

El método de la integración de la corriente es un método

simple y sencillo para estimar el SOC en una batería o

fuente de almacenamiento como supercondensadores o

volantes de inercia

Modelado de fuentes de almacenamiento - dimensionamiento



• Existen diferentes soluciones para modelar y simular fuentesde conversión y de almacenamiento de energía.

• Los modelos utilizados en el dimensionamiento de las fuentesde energía, son relativamente simples, no consideran ladinámica del sistema y tienen un bajo costo computacional

• Por tal motivo estos modelos no son adecuados para otrosproblemas como la gestión de energía o el control.

Conclusiones sobre el modelado



• Las fuentes de conversión de energía son modeladas usando datosexperimentales, con tablas que relacionan la energía primaria conla potencia de salida.

• Las fuentes de almacenamiento de energía se modelan mediante la estimación del estado de carga.

Conclusiones sobre el modelado



¿Cuál es la diferencia entre

control y gestión de energía en

una fuente híbrida?

Quiz



Introducción al modelado y control de sistemas fotovoltaicos



Celdas PV cristalinas: modeloideal

• Iph: corriente fotovoltaica(efecto

fotovoltaico) depende de G

(irradiancia) principalmente

• ID: no linealidad de la unión P-N (se

representa por undiodo)

• R:es la carga por donde fluye la

corriente (externo a lacelda)

IPhID I

V R

(Häberlin, 2012)

Modelado de sistemas FV



(Bastidas-Rodriguez, 2014)

Celdas, módulos y paneles FV



Celdas PV cristalinas:curvas

características

• Corriente vs. Tensión(V-I)

• Potencia vs. Tensión(P-V)

I-V and P-V-Characteristic of a Solar Cell

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0.70.60.50.20.10 0.3 0.4

Voltage V in V

Cu

rren

t I in

A

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Po

wer

P in

W

ISC

VOCVMPP

IMPP

MPP

PMPP

I = f(V)

P = f(V)

IPhID I

V RRP

IRPRS

(Häberlin, 2012)





características

• Corriente vs. Tensión(V-I)

variaciones de irradiancia

• Puntos clave: Isc, MPP,Voc

IPhID I

V RRP

IRPRS

Characteristics I = f(V) of a Monocrystalline Silicon Solar Cell at 25°C

0

0.5

1.5

2

2.5

3

3.5

Cu

rren

t I

inA

mp

s

MPP

800 W/m2

1000 W/m2

600 W/m2

400 W/m2

1

200 W/m2

100 W/m2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65

Voltage V in Volts

(Häberlin, 2012)





características

• Corriente vs. Tensión (V-I)

variaciones detemperatura

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65

Voltage V in VoltsC

urr

en

t I in

Am

ps

10ºC

85ºC

10ºC

25ºC

70ºC

55ºC

40ºC

85ºC

MPP

IPhID I

V RRP

IRPRS

(Häberlin,2012)




Celdas PV cristalinas:puntos

clave

• Variación con latemperatura

IPhID I

V RRP

IRPRS

Temperature Dependency of VOC , ISC and Pmax of a Silicon Solar Cell

25%

20%

15%

10%

5%

0%

-5%

-10%

-15%

-20%

-25%

-30%807060100-20 -10 20 30 40 50

Cell temperature in ºC

Ch

an

ge in

% r

efe

rred

to

25°C

ISC

VOC

Pmax

ISC

Pmax

VOC

(Häberlin, 2012)




Conexión típica de paneles: paneles en serie = cadena(string)

isolation clamp,

special connector

if nSP>3...4:

Fuse, circuit breaker

Principal Layout of a String consisting of

several (nMS) Solar Modules connected in Series

bypass diodes (unless already integrated in module)

string diode,

blocking diode

nMS modules in series

_+


(Häberlin, 2012)



• Conexión típica de paneles: paneles en serie = cadena(string)

•Vstring≈ nPS·Vpanel

• Istr ≈ Ipanel

isolation clamp,

special connector

if nSP>3...4:

Fuse, circuit breaker

Principal Layout of a String consisting of

several (nMS) Solar Modules connected in Series

bypass diodes (unless already integrated in module)

string diode,

blocking diode

nMS modules in series

_+

I-V and P-V-Characteristic of a Solar Cell4

3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Voltage V in V

Cu

rre

nt

I in

A

2.5

2

1.5

1

0.5

0

Po

we

r P

in

W

ISC

VOCVMPP

IMPP

MPP

PMPP

I = f(V)

P = f(V)

Voc,str

Isc,str

IMPP,str

PMPP,str

VMPP,str

(Häberlin, 2012)




Conexión de paneles: paneles en paralelo = fila(row)

+

_

nMP modules connected in parallel

larg

e b

yp

as

sd

iod

e


(Häberlin, 2012)



• Conexión típica de paneles: paneles en serie = cadena (string)

•Vstring≈ Vpanel

• Istring ≈ nPP·Ipanel

+

_

nMP modules connected in parallel

larg

eb

yp

as

sd

iod

e


3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Voltage V in V

Cu

rre

nt

I in

A

2.5

2

1.5

1

0.5

0

Po

we

r P

in

W

ISC

VOCVMPP

IMPP

MPP

PMPP

I = f(V)

P = f(V)

Voc,row

Isc,row

IMPP,row

PMPP,row

VMPP,row

(Häberlin, 2012)

Celdas, módulos y paneles fotovoltaicos



(Häberlin, 2012)

isolation clamp, special PV connectorstring diode

(if utilized)

Conexión típica de paneles: serie-paralelo (strings enparalelo)bypass diodes (unless integrated in module)

fuse, circuit breaker

_ +main switch of PV array (two-pole or four-pole)

Módulo II




Conexión típica de paneles: serie-paralelo (strings enparalelo)

Varray ≈ nPS·Vpanel

Iarray≈ nPP

Módulo II 39(Häberlin, 2012)

isolation clamp, special PV connector

bypass diodes (unless integrated in module)

string diode

(if utilized)

fuse, circuit breaker

_ +main switch of PV array (two-pole or four-pole)


3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Voltage V in V

Cu

rren

t I in

A

2.5

2

1.5

1

0.5

0

Po

we

r P

in

W

ISC

VOCVMPP

IMPP

MPP

PMPP

I = f(V)

P = f(V)

Voc,array

Isc,array

IMPP,array

PMPP,array

VMPP,array

Celdas, módulos y paneles fotovoltaicos



Celdas, módulos y

paneles FV



Sistemas FV



¿Qué es un seguidor del punto de

máxima potencia?

Quiz



Introducción al control de sistemas FV



Resuelva en parejas el ejercicio propuestoQuiz



• Case I.

0 2 4 6 8 10

800

850

900

950

1000

Time [s]

G [W

/m2]

0 2 4 6 8 100

10

20

30

40

50

Time [s]

Ou

tpu

t p

ow

er

[W]

1.4 1.6 1.8 2

51

52

53

54

55

Time [s]

Ou

tpu

t p

ow

er

[W]




Vargas; Duarte

Ospina; Aparicio

Betancur; Pérez

Next works

Jácome; Cabrera




Panel PV: activación de los diodos debypass

5 10 15 200

0

6

4

2

Cu

rre

nt[A

]

5 15 200

0

50

100

10

Voltage [V]

Po

we

r[W

]

Mod. 1,1

Mod. 2,1

Str. 2x1

Maximum

Power Point

(Bastidas-Rodriguez et al.,2013)





5 10 200

0

2

4

6

Curr

ent[A

]

60

40

20

Pow

er

[W]

Mod. 1,1

Mod. 2,1

Str. 2x1

Inflection voltage

Inflection voltage

Mod. 2,1 inactive

15Maximum

Power Points

Mod. 2,1 active

00 5 10

Voltage [V]

Tablero

15 20





¿Cómo afectan las sombras a los sistemas

de generación fotovoltaica?

¿Mejor utilizar micro-inversores o

inversores centralizados?

Quiz

Debate



¿Podemos cambiar nuestro hábitos de consumo?

¿Todos tenemos los mismos hábitos?

¿Estamos dispuestos a ceder en confort para pagar menos?

¿Estamos dispuestos a pagar más por aumentar el confort?

Debate

¿Podemos desplazar en el tiempo

algunas actividades?



ON

OFF




Curso de profundización para formadores en tecnología solar fotovoltaica y sus aplicaciones

Sesión 3. Recurso solar y elementos de un sistema. Parte 2.

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