sistemas solares fotovoltaicos

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SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOSSISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOSM. en I. Rodolfo Lorenzo BautistaM. en I. Rodolfo Lorenzo Bautista

Facultad de Ingeniería. UNAM

11 de Agosto de 2011

Introducción

Ante la situación energética mundial, es fundamental que las energías denominadas renovables participen en una proporción considerable para satisfacer la demanda creciente de energía que los países requerirán para los próximos años.

La mayoría de los países, durante las ultimas décadas, se han caracterizado por depender de los combustibles fósiles para producir la energía que requieren para su desarrollo (industria, transporte, vivienda, etc.), lo cual ha generado dos problemas:La disminución de las reservas de combustibles cuando la demanda cada vez va enaumento, originándose con esto, costos mas altos de la energía producida y aumento, originándose con esto, costos mas altos de la energía producida y presentándose consecuencias económicas graves para los países.El segundo problema se refiere al aumento del contenido de gases de efecto invernadero en la atmósfera y en especial el Bióxido de Carbono producido por la utilización de los combustibles fósiles como fuentes primarias de energía, contribuyendo a elevar la temperatura en la superficie de la Tierra y originándose un cambio climático a nivel mundial.

Por lo anterior y para garantizar la seguridad energética a nivel mundial, es importante que los países diversifiquen sus fuentes primarias de energía promoviendo el uso de las energías renovables, como la energía solar.

El espectro solar

El sol provee la energía necesaria para mantener la vida en nuestro sistema solar.

En una hora, la Tierra recibe del sol la energía equivalente al total de la energía que consume la población mundial durante un año.

El sol esta compuesto por una mezcla de gases en la que predomina el hidrogeno el cual es convertido a Helio en una reacción termonuclear masiva; la masa se convierte en energía y como resultado de esta reacción la superficie del sol se mantiene a una energía y como resultado de esta reacción la superficie del sol se mantiene a una temperatura de aproximadamente 5800 grados K. Esta energía es radiada alejándose del sol uniformemente en todas direcciones de acuerdo con la formula de radiación de un cuerpo negro de Max Planck.La ecuación de Planck permite calcular la densidad de energía en la superficie del sol en Watts/m2/unidad de longitud de onda en m.

La energía viaja 149.6 millones de kilómetros hasta la tierra, en donde la densidad de energía decrece a 1367 Watts/m2 en la parte superior de la atmosfera terrestre. Este valor a menudo es referido como una constante solar.

El efecto de la atmosfera en la luz solar

La cantidad de luz solar que se absorbe o dispersa depende de la longitud de la trayectoria a través de la atmosfera. Esta longitud se compara generalmente con una trayectoria vertical directa hacia el nivel del mar, la cual se conoce como masa de aire (air mass) y se le asigna un valor igual a la unidad (AM = 1).

La masa de aire a una mayor altitud será menor que la unidad para el sol ubicado exactamente sobre la vertical y será mayor que la unidad cuando el sol se ubique en un ángulo fuera de la vertical. ángulo fuera de la vertical.

En general, la masa de aire a través de la cual pasa la luz solar es proporcional a la secante del ángulo del zenit, el cual es el ángulo medido entre el rayo de luz y la vertical.

A masa de aire unitaria (AM = 1), después de tomar en cuenta la absorción, la intensidad de la radiación global se reduce de 1367 W/m2 en la parte superior de la atmosfera a 1000 W/m2 a nivel del mar; esto es, para una longitud de trayectoria AM = 1la intensidad de la luz solar se reduce 70% de su valor original AM = 0

Sistema solar fotovoltaico

DefiniciónUn sistema solar fotovoltaico es el conjunto de elementos que interconectados transforman la energía solar luminosa directamente en energía eléctrica a través de un proceso fotovoltaico.

Elementos de un sistema solar fotovoltaicoLos sistemas solares fotovoltaicos se componen de los principales elementos:

- Celdas fotovoltaicas- Inversores- Controladores de carga- Bancos de baterías- Cargas en corriente directa (CD)- Cargas en corriente alterna (CA)

Definiciones – Norma IEC 60364-7-712

Celda fotovoltaicaDispositivo básico fotovoltaico el cual puede generar electricidad cuando se expone a la luz solar.Modulo fotovoltaicoEnsamble de celdas fotovoltaicas interconectadas y protegidas completamente contra el medio ambiente. Cadena fotovoltaica (string) o Panel fotovoltaicoCircuito en el cual los módulos fotovoltaicos se conectan en serie para generar un voltaje de salida determinado. Arreglo fotovoltaicoEnsamble de módulos fotovoltaicos y otros componentes electromecánicamente integrados para formar una unidad de suministro de potencia en corriente directa.Caja de conexiones del arreglo fotovoltaicoGabinete o envolvente donde todas las cadenas fotovoltaicas de cualquier arreglo fotovoltaico se conectan eléctricamente y en donde se localizan, si se requieren, los dispositivos de protección.

Definiciones – Norma IEC 60364-7-712

Generador fotovoltaicoEnsamble de arreglos fotovoltaicos. Inversor fotovoltaicoDispositivo que convierte un voltaje y una corriente CD en un voltaje y una corriente CA.Instalación fotovoltaicaTodo el equipo instalado de un sistema de suministro de energía fotovoltaica.Condiciones de prueba estándar (Standard Test Conditions STC)Condiciones de prueba especificadas en la Norma IEC 60904-3 para celdas y módulos fotovoltaicos.Voltaje de circuito abierto bajo condiciones de prueba estandarVoltaje bajo condiciones de prueba estandar a través de un módulo, cadena, arreglo o generador o en el lado de CD del inversor fotovoltaico sin carga (circuito abierto).Corriente de corto circuito bajo condiciones de prueba estandarCorriente de corto circuito de un modulo, cadena, arreglo o generador fotovoltaico bajo condiciones de prueba estandar.

Tecnología de las celdas fotovoltaicas

Silicio cristalinoEl silicio fue uno de los primeros materiales empleados en los diseños iniciales de las celdas fotovoltaicas y en la actualidad continua dominando el mercado de las celdas solares en casi un 90%. Las celdas que utilizan el silicio en su fabricación han sido catalogadas como celdas de primera generación.

Para su fabricación, el silicio puro es contaminado con pequeñas cantidades de otros elementos como el boro y el fósforo, los cuales producen materiales semiconductores elementos como el boro y el fósforo, los cuales producen materiales semiconductores tipo p (positivos) y tipo n (negativos) respectivamente. Al poner en contacto dos materiales de distinta polaridad se produce una diferencia de potencial entre ellos, siendo este valor de 0.46 a 0.48 Volts.Cuando este dispositivo semiconductor es iluminado, la energía de la luz solar libera electrones que al ser impulsados por la diferencia de potencial, circulan por un circuito exterior en forma de corriente continua. Lo anterior se conoce como efecto fotovoltaico.La corriente que se genera en la celda es proporcional a la cantidad de radiación incidente.Se muestran en la siguiente figura los componentes de una celda fotovoltaica típica.

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Corriente

Luz solar

Cubierta de vidrioo plástico

Adhesivo transparente

Capa antireflejante

Rejilla metálica

Celda fotovoltaica de silicio

Material semiconductor tipo “n”

Material semiconductor tipo “p”

Contacto metálico

Sustrato

CCNNIEElementos de un sistema solar fotovoltaico

Modulo fotovoltaico

Paneles fotovoltaicos

Fuente: SHARP Corp.

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Elementos de un modulo fotovoltaico

Elementos de un arreglo fotovoltaico

Identificación de los componentes del sistema solar fotovoltaico

Parámetros eléctricos de los módulos fotovoltaicos

La potencia total de salida de un modulo fotovoltaico es igual al producto del voltaje de operación por la corriente de operación del modulo. A diferencia de las baterías, los módulos fotovoltaicos pueden producir corriente en un amplio rango de voltajes.Las características de salida de cualquier modulo están representadas por una curva de respuesta llamada curva I-V que muestra la relación entre las salidas de corriente y voltaje.Las curvas corriente-voltaje estan dadas para las condiciones de prueba estandar (Standard Test Conditions) de 1000 W/m2 de radiación y 25 grados C (77 grados F) de temperatura en la celda.


Curva corriente-voltaje del modulo fotovoltaico


Datos típicos de un módulo solar:

Potencia nominal 165 WattsCorriente nominal 7.11 AVoltaje nominal 23.2 VCorriente de corto circuito 7.69 AVoltaje de circuito abierto 29.6 V Voltaje de circuito abierto 29.6 V Voltaje máximo del sistema 600 VCapacidad de los fusibles 15 AEficiencia 12% (1.3778 m2)Dimensiones 1660 x 830 x 50 mmPeso 17 Kg

Condiciones de prueba estándar (STC): 25 grados C, 1000 W/m2 de irradiación, A.M. = 1.5

Factores que afectan el comportamiento de los módulos

Intensidad de la luz solar

La corriente que suministra un modulo fotovoltaico es proporcional a la intensidad de la radiación a la que esta expuesto.Una mayor intensidad de la luz solar da como resultado una mayor potencia de salida del módulo.salida del módulo.

Como se ilustra en la siguiente figura, a medida que el nivel de la luz solar decrece, la curva corriente-voltaje permanece igual pero desplazada hacia abajo indicando una menor salida de corriente y como consecuencia una reducción de la potencia, ya que el voltaje prácticamente se mantiene constante al variar la intensidad de la luz.


Efecto de la irradiación en el funcionamiento del módulo


Efecto de la temperatura de la celda en el funcionamiento del módulo

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Inversores

En la actualidad, la mayoría de los aparatos y cargas eléctricas se diseñan para operar con corriente alterna.Los módulos solares fotovoltaicos generan la energía eléctrica en forma de corriente directa, por lo que es necesario utilizar un dispositivo para convertir la energía eléctrica de corriente directa a corriente alterna.El objetivo principal de los inversores es cambiar la corriente directa de los módulos fotovoltaicos a corriente alterna, cuando estos se encuentran conectados directamente con la red eléctrica, o de las baterías, si se trata de sistemas autónomos o acoplados a la red eléctrica con un respaldo de baterías.

Inversores conectados directamente a la red eléctrica

Datos típicos de un inversor :

Potencia máxima recomendada 7500 W (CD)Voltaje máximo 600 V (CD)Corriente máxima de entrada 25 A (CD)Voltaje de arranque 300 V (CD)Potencia nominal de salida 6000 W (CA)Potencia máxima de salida 6000 W (CA)Potencia máxima de salida 6000 W (CA)Corriente máxima de salida 25 A (CA)Rango de voltaje nominal 211-264 V (CA)Frecuencia 59.3-60.5 HzFP a potencia nominal 0.99Eficiencia 97%Rango de temperatura ambiente -13 a +113 FTipo de gabinete NEMA 3RDimensiones 61.21 x 46.73 x 24.13 mmPeso 65 kg

Controladores

El funcionamiento de un controlador fotovoltaico es similar al de un regulador de voltaje.Su función principal es evitar que la batería sea sobrecargada por la corriente que proviene del arreglo de los paneles solares. Algunos controladores fotovoltaicos también protegen a la batería para que no se descargue completamente.En un controlador estándar, todos los componentes del sistema deberán tener el mismo voltaje. Es decir, el arreglo fotovoltaico, el banco de baterías y las cargas de corriente directa, si se van a controlar con este equipo, tendrán el mismo nivel de voltaje.Para especificar este tipo de controladores deberán considerarse los siguientes parámetros:

- Voltaje del sistema (CD)- Corriente de corto circuito del arreglo fotovoltaico- Corriente máxima de consumo- Características opcionales

Baterías y bancos de baterías

BateríasSon dispositivos que almacenan en forma química, la energía que proviene del sistema solar fotovoltaico en forma de corriente directa.En las instalaciones fotovoltaicas, lo mas común es utilizar un conjunto de baterías asociadas conectadasen serie o en paralelo, para almacenar la energía eléctrica generada durante las horas de irradiación para su utilización posterior en los momentos de baja o nula irradiación. Es decir, la batería o los bancos de baterías suministran la energía eléctrica a las cargas durante los días nublados o por la noche.La energía que entrega el sistema fotovoltaico puede variar durante el día, por lo que las baterías son una fuente de energía constante. una fuente de energía constante. Las baterías pueden también suministrar energía cuando el sistema fotovoltaico se retira con fines de reparación o de mantenimiento.

Capacidad de las bateríasEs la cantidad de electricidad que puede obtenerse mediante la descarga total de una batería inicialmente cargada al máximo. La capacidad de una batería se mide en Amperes-hora (Ah) para un determinado tiempo de descarga. Es decir, una batería de 100 Ah es capaz de suministrar 100 A durante una hora o 10 A durante 10 horas.Para las baterías empleadas en los sistemas fotovoltaicos, es común referirse a tiempos de descarga de 100 horas.

Requerimientos del NEC para los Sistemas solares fotovoltaicos

Articulo 690. Sistemas solares fotovoltaicos

690.8 Dimensionamiento de los circuitos690.15 Medios de desconexión690.16 Desconectadores con fusibles690.31 Métodos de alambrado690.43 Puesta a tierra de equipos690.47 Sistema de electrodos de tierra


Articulo 690.8 Dimensionamiento de los circuitos y protección690.8(A) Corriente del circuito (125% de la corriente de corto circuito Isc delmodulo)690.8(B)(1) Protección – 125% de la corriente del circuito.690.8(B)(2)(a) Conductores – 125% de la corriente del circuito a 75 grados C.690.8(B)(2)(b) Conductores – 100% de la corriente del circuito después de la corrección y/o ajuste para una temperatura de 90 grados C.

Corriente máxima del circuito de la fuente fotovoltaica. Articulo 690.8(A)(1)La máxima corriente del circuito de la fuente fotovoltaica se calcula multiplicando por el factor 1.25 la corriente de corto circuito Isc dada en la placa de datos del modulo.


Corriente máxima de salida del inversor. Articulo 690.8(A)(3)La máxima corriente de salida del inversor es la corriente de salida continua marcada en la placa de datos del inversor.Protección contra sobrecorriente. Articulo 690.8(B)La protección contra sobrecorriente del circuito fotovoltaico, donde se requiera, deberá dimensionarse para transportar no menos que el 125% de la corriente del circuito [125% de la corriente de corto circuito. Articulo 690(8)(A)]Circuito de la fuente fotovoltaica - OCPD. Articulo 690.8(B)(1)(a)Corriente de corto circuito del arreglo: 11.8 AmperesOCPD = (Corriente de corto circuito del modulo x 1.25)* x 1.25OCPD = ( 11.8 x 1.25 )* x 1.25OCPD = 14.75 A* x 1.25OCPD = 18.44 AOCPD = 20 A

* Articulo 690.8(A)(1)


Circuito de la fuente fotovoltaica - OCPD. Articulo 690.8(B)(1)(a)El dispositivo de protección contra sobrecorriente no debe exceder la máxima capacidad de sobrecorriente marcada en la placa de datos del modulo Fotovoltaico. [Articulo 110.3(B)].Circuito de salida del inversor – OCPD. Articulo 690.8(B)(1)(A)Corriente de salida CA del inversor = 24 AOCPD = Capacidad de corriente CA de salida del inversor x 1.25OCPD = 24 A* x 1.25OCPD = 30 A [Articulo 240.6(A)]

* [Articulo 690.8 (A)(3)]


Dimensionamiento del circuito y protección. Articulo 690.8(B)(2)(a)Los conductores del circuito deberán dimensionarse para transportar el 125% de la corriente del circuito [125% de la corriente de corto circuito. Articulo 690.8(A)] antes de la aplicación de los factores de corrección y ajuste de la Tabla 310.15.

Circuito de la fuente fotovoltaicaCapacidad de conducción del conductor. Articulo 690.8(B)(2)(a)Corriente de corto circuito del modulo = 11.8 ACapacidad de conducción = [I de corto circuito del modulo x 1.25]* x 1.25Capacidad de conducción = (11.8 x 1.25)* x 1.25Capacidad de conducción = 14.75 A* x 1.25 = 18.44 AConductor calibre 14 AWG con capacidad de 20 Amperes a 75 grados C.



Circuito de salida del inversorCapacidad de corriente del conductor. Articulo 690.8(B)(2)(a)Capacidad de corriente del inversor = 24 ACapacidad de conducción = Capacidad de corriente del inversor x 1.25Capacidad de conducción = 24 A* x 1.25Capacidad de conducción = 30 AConductor calibre 10 AWG con capacidad de 30 Amperes a 75 grados C.



Dimensionamiento del circuito y protección. Articulo 690.8(B)(2)(b)Los conductores del circuito deberán dimensionarse para transportar el 100% de la corriente del circuito [125% de la corriente de corto circuito. Articulo 690.8(A)] despues de la aplicación de los factores de corrección y ajuste de la Tabla 310.15.Circuito de la fuente fotovoltaicaCapacidad de conducción del conductor. Articulo 690.8(B)(2)(b)Canalización en techo con 2 conductores 12 AWG, THWN-2 = 11.8 ATemperatura ambiente 90 grados CCapacidad de conducción del conductor 30 A. Articulo 310.15(B)(16)Capacidad de conducción = 30 A x 0.58 [Articulo 310.15(B)(2)(A)]Capacidad de conducción = 17.40 AEl conductor es adecuado para transportar 14.75 A (11.8 A x 1.25).


Medios de desconexión del equipo fotovoltaico. Articulo 690.15El equipo fotovoltaico deberá tener un medio de desconexión que abra todos los conductores no aterrizados del circuito de todas las fuentes de energía. Los desconectadores CD y CA deberán agruparse juntos y cada uno marcado permanentemente para identificar su propósito.Fusibles. Articulo 690.16Fusibles de servicio. Articulo 690.16(B).Debe instalarse un medio de desconexión para los circuitos fotovoltaicos de salida cuando los fusibles no puedan aislarse de los circuitos energizados. El medio de desconexión debe estar visible o integrado con la caja de fusibles, operarse externamente e indicada claramente su posición abierta o cerrada.Cuando el desconectador se ubique a mas de 1.8 m. de los fusibles, deberá instalarse un directorio en el lugar donde se instalen los fusibles, mostrando la localización de cada desconectador


Articulo 690.43(A). Puesta a tierra del equipoTodas las partes metálicas no conductoras de los marcos de los módulos fotovoltaicos, equipo eléctrico, canalizaciones y gabinetes o envolventes deberan conectarse a tierra de acuerdo con los Articulos 250.134 o 250.136(A), independientemente del nivel de voltaje.

Articulo 690.43(B). Conductor de puesta a tierra del equipoArticulo 690.43(B). Conductor de puesta a tierra del equipoSe requiere un conductor de puesta a tierra del equipo entre el arreglo fotovoltaico y los otros equipos, de acuerdo con el Articulo 250.110

Articulo 690.43(C). Estructuras empleadas como conductor de puesta a tierraLos dispositivos listados e identificados para la puesta a tierra de los marcos metálicos de los módulos u otros equipos se permitirán para puentear las superficies metálicas expuestas u otros equipos a las estructuras de montaje.Las estructuras de montaje usadas con el proposito de conexión a tierra se identificaran como conductores de puesta a tierra del equipo.


Articulo 690.43(C). Estructuras empleadas como conductor de puesta a tierraLas estructuras metálicas de montaje tendrán identificados los puentes de unión o dispositivos que conectan las secciones metálicas separadas y estarán conectadas al sistema de tierra.

Articulo 690.43(D). Sistemas y dispositivos de montaje fotovoltaicoLos sistemas y dispositivos empleados para el montaje de los módulos que se Los sistemas y dispositivos empleados para el montaje de los módulos que se usan también para proveer la puesta a tierra de los marcos de los módulosse identificaran como dispositivos para la puesta a tierra de los módulos.

Articulo 690.43(E). Modulos adyacentesLos dispositivos identificados y listados como puentes de unión de los marcos metálicos de los módulos, se permitirá que sirvan de puente de unión entre los marcos metálicos expuestos de los módulos fotovoltaicos y los marcos metálicos de los módulos adyacentes.


Articulo 690.43(F). Conductores en una misma canalizaciónLos conductores de puesta a tierra del equipo para el arreglo fotovoltaico deberán instalarse dentro de la misma canalización o cable con los conductores de los circuitos del arreglo fotovoltaico cuando estos dejen la vecindad de dicho arreglo.

Sistema de electrodos de puesta a tierra

Articulo 690.47.

(A) Sistemas de corriente alterna(B) Sistemas de corriente directa(C)Sistemas con requerimientos de tierra en CA y en CDLos sistemas fotovoltaicos que tengan circuitos de CA y circuitos de CD sin conexión directa entre los conductores de puesta a tierra, deberan contar con conexión directa entre los conductores de puesta a tierra, deberan contar con un sistema de tierras de CD. Este sistema deberá puentearse con el sistema de tierras de CA por alguno de los siguientes métodos:(1) Sistema de electrodos de tierra de CD separado del sistema de electrodos

de tierra de CA pero interconectados con un puente de unión.(2) Sistema común de electrodos de tierra para los sistemas de CA y de CD(3) Combinación de conductor de electrodos de tierra de equipos de CD y

conductor de puesta a tierra del equipo de CA

CCNNIETrayectorias de las corrientes de falla a tierra

Sistemas fotovoltaicos autónomos

Sistema solar autónomo con cargas en corriente directa y corriente alterna

Sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica

Sistema conectado a la red eléctrica sin respaldo de baterías

Bibliografía

1. IEEE Power and Energy MagazineVolumen 7, Número 3, Págs. 22-33, Mayo-Junio 2009

2. National Electrical Code. NFPA 70 – 2011National Fire Protection Association

3. Fotovoltaica. Manual de diseño e instalaciónSolar Energy International. 2007

4. Notas del Curso de actualización profesionalSistemas solares fotovoltaicos. FI-UNAMM. en I. Rodolfo Lorenzo Bautista. 2010

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