SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Punto de operación
Queda determinado por las características eléctricas combinadas del arreglo de paneles y de la carga.
Es afectado por la irradiancia y la temperatura.
Por las características del recurso normalmente no es posible sincronizar la generación con la demanda y, para que el sistema funcione de la manera deseada, es necesario agregar dispositivos específicos.
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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Se reconocen dos tipos de sistemas
Aislados
Proveen energía a una instalación que no está conectada a una red eléctrica.
Cuando se necesita un suministro estable (independiente de la irradiancia recibida y de la temperatura), el sistema debe incluir almacenamiento.
En algunas aplicaciones particulares, e.g. bombeo de agua, no se requiere un suministro estable todo el tiempo, y se puede conectar en forma directa (bajo costo). Se bombea cuando la energía es suficiente y se almacena agua.
Conectados a la red
No es necesario que cuenten con almacenamiento ya que el excedente de energía generada se inyecta a la red, y el déficit se toma de ésta.
Prescindir del almacenamiento permite reducir costos.
Si incluye almacenamiento, incrementa el costo pero agrega versatilidadal sistema favoreciendo el autoconsumo de la energía generada y reduciendo el impacto sobre las redes (sobredimensionamiento, eficiencia, etc.).
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Esquema general y componentes principales
Opcional
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Arreglo de paneles
Se configuran para tener una tensión de salida compatible con el banco de baterías.
Normalmente 12, 24 o 48V.
La tensión de operación determina la cantidad de paneles que se deben conectar en serie (tamaño del string o rama).
La cantidad de strings o ramas en paralelo queda determinada por la corriente a suministrar a las baterías.
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Banco de baterías
Además de almacenamiento, pueden proveen los picos de corriente que no entregan los paneles.
Fijan la tensión de operación en CC.
Las más utilizadas en este tipo de sistemas son las de plomo-ácido por su buena relación costo/prestación.
Comienzan a utilizarse las de litio.
Tesla Powerwall
13.5 kWh
120 kg
115 x 75.5 x 15.5 cm
https://www.tesla.com/powerwall
Rolls
Plomo ácido
http://www.rollsbattery.com/
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido
Tecnología madura. Introducidas por Gastón Planté en 1860.
Estructura básica
Electrodo +: dióxido de plomo (PbO2)
Electrodo -: plomo (Pb)
Electrolito: ácido sulfúrico diluido en agua (H2SO4)
Reacción electroquímica completa
Durante la descarga
Se sulfatan los electrodos (aumenta su resistencia) y disminuye la concentración del ácido (medida del estado de carga).
Durante la carga
Se produce hidrógeno (“gaseo”) por electrólisis del agua, riesgo de explosión y pérdida de agua (se evita en las VRL). El fenómeno comienza cuando la batería está alcanzando la carga completa.
descarga
carga2 2 4 4 2 PbO +Pb+2H SO 2PbSO 2 H O
Sulfato de plomo
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Reacciones electroquímicas detalladas
descarga
carga
2- -
4 4Pb+SO PbSO +2e
descarga
carga
2- + -
2 4 4 2PbO +SO 4H +2e PbSO +2H O
descarga
carga
+ 2-
2 4 42H SO 4H +2SOElectrolito
Cátodo (-)
Ánodo (+)
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Componentes
Electrodos
Separador
Electrolito
Terminales
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Tipo de placas
Placas planas empastadas (Camille Fauré, 1881)
Formadas por una rejilla plana sobre la que se deposita el material activo de los electrodos. Conducen los electrones hacia/desde los terminales.
Se suelen construir de aleaciones de plomo-antimonio (mayor pérdida de agua), plomo-calcio, etc. para dar rigidez y mejorar las propiedades (corrosión, desempeño, etc.)
El espesor de la placa está dado por las características que se desean (altas corrientes, velocidad rápida, etc.)
Placas tubulares
El material activo se encuentra dentro de un tubo.
Mejor desempeño y vida útil. Más caras.
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Tipo de electrolito
Líquido (inundadas o VLA)
Relativamente baratas y robustas, diseño maduro.
Fáciles de monitorear (medición de la densidad del electrolito).
En general necesitan mantenimiento (reposición de H2O) y ventilar el recinto (presencia de H), peligro de corrosión.
Selladas (VRLA)
No hay forma ni necesidad de reemplazar el electrolito o H2O. Por el diseño del material activo de los electrodos se favorece la recombinación de H y O en H2O.
Contienen una cantidad limitada de electrolito inmóvil
De gel: se agrega sílice al electrolito formando un gel.
De electrolito absorbido (AGM): utiliza un separador de fibra de vidrio poroso que absorbe el electrolito.
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Aplicaciones
Encendido
Arranque de vehículos, altas corrientes en tiempos reducidos.
Económicas, tecnología madura, densidad de energía baja, no aptas para ciclados profundos, reducida vida útil.
Descarga profunda
Ciclados diarios.
Usos en tracción, energía solar, etc.
Larga vida útil, alta densidad de energía.
Estacionarias
Funcionan a flote la mayor parte del tiempo y permiten ser levemente sobrecargadas.
Usos en comunicaciones, alarmas, iluminación, etc.
No se busca densidad de energía.
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Especificaciones importantes
Capacidad nominal (C en Ah)
Tensión nominal por celda (Vpc) o del módulo
Tensión de corte mínima (operación/descarga)
Tensión de corte máxima (carga)
Profundidad de descarga (DOD)
Ciclo de vida
Tensión de carga y de flote, y método recomendado.
Tiempo de autodescarga
Variación de la capacidad con la temperatura.
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Capacidad
La capacidad disponible depende de las condiciones de operación (corriente de descarga, temperatura, SOH, etc.)
Capacidad nominal C [Ah]: se da para una tasa de descarga (hs) específica (C/10, C/20 o C/100 [A]). Otras tasa (corrientes) modifican la capacidad disponible.
Tensión de corte
mínima
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Descarga a
~C/20 [A]
(nominal)
Descarga a
C [A]
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Baterías de plomo-ácido (cont.)
Capacidad (cont.)
Formas alternativas de especificar la capacidad
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Capacidad
La capacidad disponible se reduce al disminuir la temperatura, y aumenta al aumentar la temperatura pero reduce su vida útil.
Para baterías C20
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Para aplicaciones fotovoltaicas normalmente se utilizan descargas profundas hasta 80% DOD.
La máxima profundidad de descarga permitida depende de la temperatura ambiente (para evitar el congelamiento del electrolito)
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Baterías de plomo-ácido (cont.)
Cantidad de ciclos (vida útil) vs. profundidad de descarga
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Baterías de plomo-ácido (cont.)
Tensión de circuito abierto vs. estado de carga (SOC)
La tensión de circuito abierto es función de la concentración del electrolito y de la temperatura
La tensión nominal de celda es generalmente 2V (2.125-2.05)
Tensión en
reposo
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Una carga inapropiada reduce la vida útil de la batería.
La tasa de carga debe ser tal que no produzca gaseo, sobrecarga o altas temperaturas.
La carga a corriente constante es muy peligrosa si no se limita cuando se acerca a la carga completa. La tensión crece excesivamente, se sobrecarga y se produce gaseo.
Se puede hacer a CC si semonitorea la tensión (inferior a 2.4 Vpc)
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Método de carga IUoU (denominación DIN)
Corriente constante (I): normalmente C/10 (bulk)
Tensión constante (Uo): 2.4 Vpc por un tiempo fijo (absorción)
Tensión constante (U): 2.3 Vpc (flote)
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Carga de refresco
Cuando la batería ha estado sin utilizarse por mucho tiempo, se aplica una carga a tensión constante (2.4 Vpc) con limitación de corriente durante un tiempo determinado.
Para extender la vida útil conviene cargar al máximo las baterías en períodos de tiempo regulares (se evita que se fije el sulfato en los electrodos y que se cristalice el electrolito).
Podría considerarse la utilización de un generador de back-up para realizar el refresco o ecualización.
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Eficiencia de Coulomb o Ah
El dimensionamiento (capacidad), la carga/descarga, etc., se hace en términos de corriente.
Por la dificultad para determinar la tensión de reposo de la batería durante la carga y descarga, es conveniente definir la eficiencia también en términos de corriente.
Se define como la relación entre la carga disponible respecto de la carga introducida durante el proceso de carga
Para una batería típica, la eficiencia de Coulomb ronda el 90–95%.
La eficiencia energética (Wh) es un tanto inferior (la tensión de carga es mayor a la tensión en bornes). Los valores típicos rondan el 80%.
EAh
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Q
Q
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Configuración del banco
Serie
Mayor tensión menor corriente.
Para aumentar capacidad se necesita incluir una rama entera.
Paralelo
Menor tensión, mayor corriente (fusibles, cables y protecciones).
Fáciles de escalar.
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Baterías de plomo-ácido (cont.)
Conexionado de las baterías en el banco
Utilizar un único modelo de baterías y de ser posible del mismo lote.
El cableado debe ser de la misma longitud (el más corto posible) para todas las ramas.
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Controlador o regulador de carga
Se encargan de controlar la carga y descarga de las baterías.
Normalmente mide la tensión en bornes de las baterías y las protege de sobrecargas, y de descargas más allá de la mínima tensión de corte.
Suelen incluir protección (diodo) para evitar que con baja tensión en paneles, las baterías se descarguen a través de éstos.
Dependiendo de la sofisticación (costo) del regulador puede incluir funciones adicionales: manejo de un generador de resguardo para cargar o refrescar las baterías en caso de baja radiación (baja corriente), monitoreo de la temperatura, etc.
Existen diferentes topologías
Serie
Paralelo o shunt
Seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT)
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Controlador o regulador de carga (cont.)
Regulador serie
Limita la corriente (conmutando la llave S1) para que la tensión de batería no supere la tensión de corte.
Regulador paralelo o shunt
Limita la corriente drenándola a través del controlador (llave S1). Cortocircuita el arreglo de paneles.
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Controlador o regulador de carga (cont.)
Regulador con seguimiento del punto de máxima potencia.
A diferencia de los reguladores serie y paralelo que operan el arreglo de paneles en la tensión de batería, este regulador lo opera en el punto de máxima potencia (puede capturar un 20% más de potencia).
Necesita adaptar la tensión de salida para que sea compatible con el banco de baterías para lo cual utiliza un convertidor de tensión (corriente continua) y algoritmos de seguimiento del MPP.
Se justifica donde el aumento en la potencia capturada de los paneles compensa el costo.
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Controlador o regulador de carga (cont.)
Sin MPPT
Ejemplo: http://www.steca.com/index.php?Steca-PR-10-30-en
Con MPPT
Ejemplo: http://www.morningstarcorp.com/products/sunsaver-mppt/
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Inversor
Realiza la conversión de corriente continua (provenientes de los paneles y del banco de baterías) a corriente alterna para alimentar las cargas.
Características deseables
Proveer una frecuencia estable, potencia reactiva para cargas inductivas, y corrientes de arranque (2-3.5 veces la nominal).
Buena eficiencia (incluyendo baja carga).
Tolerar sobrecargas por algunos minutos.
Limitar la corriente de arranque del lado de continua.
Protecciones ante sobrecargas y cortocircuitos del lado de alterna.
Onda sinusoidal con baja distorsión armónica (calidad de energía).
Bajo nivel de interferencias de alta frecuencia.
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Inversor (cont.)
La eficiencia depende de la carga
Con carga supera el 90% pero sereduce significativamente con cargas muy bajas.
Consumos típicos del inversor
~1-5 W en stand-by
~20 W en funcionamiento (evitar artefactos en reposo).
Especificaciones
Tensión de entrada (debe coincidir con la del banco de baterías).
Tensión de salida en AC (220V o 380V)
Potencia de salida en AC (continua y de pico)
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SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO
Inversor (cont.)
Steca Solarix PLI 5000-48 (5kW-48V) con regulador de carga
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https://www.steca.com/index.php?Sine_wave_inverter