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Generacin de Electricidad mediante
Energa Solar
Parte 2. Sistemas Solares Fotovoltaicos.
Fundamentos y Tecnologa
Curso Plan Complementario 2015
Dr. Miguel Lpez G.
Escuela de Ingeniera Elctrica
Pontificia Universidad Catlica de Valparaso
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Sistemas de Generacin Elctrica mediante
Energas Renovables No Convencionales 2
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Fundamentos Tericos de losSistemas Fotovoltaicos
Descripcin General de un Sistema Fotovoltaico
Materiales
Efecto fotovoltaico
Curvas caractersticas de las celdas fotovoltaicas
Factores ambientales sobre la caracterstica de salida
del dispositivo
Mdulo (Panel) fotovoltaico
Arreglo fotovoltaico (PV Array)
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Materiales Fotovoltaicos(Semiconductores)
Materiales cristalinos, Silicio (Si) Mono-cristalino,
Multi-cristalino (Poli-cristalino)
Materiales de pelcula delgada (Thin Film) Si amorfo (a-Si)
Arseniuro de Galio (GaAs)
Fosfuro de Indio (InP) Telurio de Cadmio (CdTe)
Aleacin de Selenio, Indio y Cobre (CIS)
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Sistemas de Generacin Elctrica
mediante Energas Renovables NoConvencionales
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Materiales Fotovoltaicos. Ejemplos
Celda PV de 4 y
Barra de Si poli-cristalino.
[Fuente: es.wikipedia.org]Oblea de GaAs.
[Fuente: www.soitec.com]
Pelcula PV delgada de Si amorfo.
[Fuente: www.sunconnect.com.au]
Lingote y Celda PV de
Si mono-cristalino.
[Fuente: es.wikipedia.org]
http://www.soitec.com/http://www.sunconnect.com.au/http://www.sunconnect.com.au/http://www.soitec.com/ -
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Efecto Fotovoltaico (Fotoelctrico)
Becquerel (1839) descubre que se crea una tensin al iluminar elelectrodo de metal una solucin de electrolito dbil
Adams y Day (1876) estudian el efecto fotovoltaico en slidos (celdas deselenio de 1 a 2% de eficiencia)
Hertz (1887) observa que el arco entre dos electrodos conectados a altatensin alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioletaque cuando se deja en la oscuridad
Einstein (1904) explic la teora del efecto fotoelctrico (Premio Nobel1921)
[Fuente: web.educastur.princast.es]
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Efecto Fotovoltaico El efecto Fotovoltaico (PV) es la base del proceso
mediante el cual una celda PV convierte la luz solar enelectricidad
Fotones (luz solar, radiacinelectromagntica) inciden sobreuna clula FV, los que puedenser reflejados o absorbidos.
La energa del fotn absorbidose transfiere a un electrn de un
tomo de la clula. Con esta nueva energa, el
electrn es capaz de formarparte de una corriente en uncircuito elctrico.
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Celdas fotovoltaicas.Curvas caractersticas
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-6
-4
-2
0
2
4
6
Voltage [V]
C
urrent[A]
Full sun
Dark
Modelo elctrico de la celda fotovoltaica
Modelo simplificado: Circuito equivalente, Ecuaciones y Curvas
estticas
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Celdas fotovoltaicas.
Curvas caractersticas
ISC
RS
RP
I
V
+
--
= !"#$ %& '()* ++ , ./
01 $ 1 $
2+ 3 45
67
Modelo ms completo (RP, RS)
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Mdulo o Panel Fotovoltaico De la celda al mdulo, al arreglo fotovoltaico
Una sola celda: 0,5 V aprox.Aplicaciones muy reducidas.
De la celda al mdulo (o panel): nmero predeterminado deceldas conectadas en serie en un empaque robusto y resistenteal clima
Mdulo tpico de 12 V: 36 celdas en serie (o 33 celdas)
Modelo de 72 celdas: 24 V o 12V (2x36 en paralelo)
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Solar Impulse, 2015
Planta Amanecer Solar CAP
100MW, Copiap, 2014
Del Mdulo al Arreglo
Objetivo principal: Aumento de potenciapara sistemas ms grandes
Conexin de mdulos en serie, paralelo, oambos, para cumplir con losrequerimientos del proyecto Conexin serie: misma corriente, suma de
tensiones
Conexin paralelo: misma tensin, suma decorrientes
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Curva I-V bajo Condiciones Estndar
(Standard Test Conditions, STC)
Las condiciones estndar son: Irradiacin: 1 kW/m2,
Coeficiente masa aire: AM 1.5 (Tarea)
Temperatura de la Celda (no del ambiente): 25 C
Parmetros mdulo PV: Tensin de Circuito Abierto VOC,
Corriente de Cortocircuito ISC ,
Punto de mxima Potencia (MPP): VMPP, IMPP
Factor de llenado (Fill Factor):
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Factores ambientales sobre la
caracterstica de salida del dispositivo Desplazamiento de las curvas respecto de la
Temperatura y la Irradiacin (datos de fabricante) Temperatura
Semiconductores: Altamente sensibles a variaciones de T Cuantificacin del efecto en funcin de la TAmb y la irradiacin (S)
NOCT (Nominal Operating Cell Temperature): Dato
Factor de proporcionalidad ()
Irradiacin Corriente ISCvara en directa proporcin
VOCvara ligeramente
89:;?@A+ BC
1kW/DE
FGHIJK = LMNO+1.25PQRS $ 20 T U
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Temperatura, Irradiacin
Temperatura, a S fija Irradiacin, a T fija
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Voltage [V]
Current[A]
1000 W/m2
800 W/m2
600 W/m2
400 W/m2
200 W/m2
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Factores ambientales sobre la
caracterstica de salida del dispositivo Efecto de la sombra en las curvas I-V
Fuerte reduccin en la potencia de salida Puntos calientes (Hot-spots) Dao a la celda Reduccin
permanente de la potencia del mdulo Solucin: Diodos de Bypass
Bifurca la corriente de la celda ensombrecida, evita los puntoscaliente y mejora la salida en potencia
Eleva los costos; no se aplica para cada celda